光栅式传感器
指选用光栅叠栅条纹原理丈量位移的传感器。光栅是由许多等宽等距离的平行狭缝构成的光学器材。
一般常用的光栅是在玻璃片上刻出许多平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的润滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。
这种运用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有运用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的外表上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的润滑金属面可以反射光，这种光栅成为反射光栅。由光栅构成的叠栅条纹具有光学扩大效果和差错均匀效应，因而能进步丈量精度。
光栅传感器由标尺光栅、指示光栅、光路体系和丈量体系四部分组成。标尺光栅相关于指示光栅移动时，便构成大致按正弦规则散布的明暗相间的叠栅条纹。
这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照耀到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过扩大、整形、辨向和计数体系发生数字信号输出，直接显现被测的位移量。
光栅传感器的结构及作业原理
光栅传感器的结构均由光源、主光栅、指示光栅、通光孔、光电元件这几个首要部分构成。
1、光源：钨丝灯泡，它有较小的功率，与光电元件组合运用时，转化功率低，运用寿命短。半导体发光器材，如砷化镓发光二极管，可以在 规模内作业，所发光的峰值波长为 ，与硅光敏三极管的峰值波长挨近，因而，有很高的转化功率，也有较快的呼应速度。
2、光栅付：由栅距持平的主光栅和指示光栅组成。主光栅和指示光栅彼此堆叠，但又不彻底重合。两者栅线间会错开一个很小的夹角 ，以便于得到莫尔条纹。一般主光栅是活动的，它可以单独地移动，也可以随被测物体而移动，其长度取决于丈量规模。指示光栅相关于光电器材而固定。
3、通光孔：通光孔是发光体与受光体的通路，一般为条形状，其长度由受光体的摆放长度决议，宽度由受光体的巨细决议。它是帖在指示光栅板上的。
4、受光元件：受光元件是用来感知主光栅在移动时发生莫尔条纹的移动，然后丈量位移量。在挑选光敏元件时，要考虑灵敏度、呼应时刻、光谱特性、稳定性、体积等要素。
将主光栅与标尺光栅堆叠放置，两者之间坚持很小的空隙，并使两块光栅的刻线之间有一个细小的夹角θ，如图所示。
当有光源照耀时，因为挡光效应(对刻线密度≤50条/mm的光栅)或光的衍射效果(对刻线密度≥100条/mm的光栅)，与光栅刻线大致笔直的方向上构成明暗相间的条纹。
在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，构成亮带;在两光栅刻线的错开的当地，构成暗带;这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。
莫尔条纹的距离与栅距W和两光栅刻线的夹角θ(单位为rad)之间的关系为
(K称为扩大倍数)。
当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终坚持夹角θ，而使主光栅沿刻线的笔直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动;光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。
主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个距离S。因而通过丈量莫尔条纹的移动，就能丈量光栅移动的巨细和方向，这要比直接对光栅进行丈量简单得多。
当主光栅沿与刻线笔直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹距离。当两个光栅刻线夹角θ较小时，由上述公式可知，W一守时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W扩大了1/ θ倍。因而，莫尔条纹的扩大倍数相当大，可以完结高灵敏度的位移丈量。
莫尔条纹是由光栅的许多刻线一起构成的，对刻线差错具有均匀效应，能在很大程度上消除因为刻线差错所引起的部分和短周期差错影响，可以抵达比光栅自身刻线精度更高的丈量精度。因而，计量光栅特别适合于小位移、高精度位移丈量。
光栅传感器的特色
1、精度高。
光栅式传感器在许多程丈量长度或直线位移方面只是低于激光干与传感器。在圆分度和角位移接连丈量方面，光栅式传感器归于精度最高的;
2、许多程丈量兼有高分辩力。
感应同步器和磁栅式传感器也具有许多程丈量的特色，但分辩力和精度都不如光栅式传感器;
3、可完结动态丈量，易于完结丈量及数据处理的自动化;
4、具有较强的抗搅扰才能，对环境条件的要求不像激光干与传感器那样严厉，但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和尘埃会影响它的可靠性。首要适用于在实验室和环境较好的车间运用。
光栅传感器的品种
光栅首要分两大类：一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅);二是透射光栅(也称为长周期光栅)。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功用上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅对错周期光栅，又称为啁啾光栅(Chirp光栅)。
光纤Bragg光栅传感器
光纤光栅是运用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，在纤芯内发生沿纤芯轴向的折射率周期性改变，然后构成永久性空间的相位，光纤光栅的折射率将随光强的空间散布发生相应改变。而在纤芯内构成的空间相位光栅，其效果的本质便是在纤芯内构成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。
当一束宽光谱光通过光纤光栅时，满意光纤光栅布拉格条件的波长将发生反射，其他的波长将透过光纤光栅持续往前传输，运用这一特性可制作出许多功用共同的光纤器材。
啁啾光纤光栅传感器
与光纤Bragg光栅传感器的作业原理底子相同，在外界物理量的效果下啁啾光纤光栅除了△λB的改变外，还 会引起光谱的展宽。
这种传感器在应变和温度均存在的场合对错常有用的，啁啾光纤光栅因为应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的改变则因为折射率的温度依赖性(dn/dT)，仅影响重心的方位。通过一起丈量光谱位移和展宽，就可以一起丈量应变和温度。
长周期光纤光栅传感器
长周期光纤光栅(LPG)的周期一般认为有数百微米， LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λi= (n0-niclad)?Λ 。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有用折射率。光在包层中将因为包层/空气界面的损耗而敏捷衰减，留下一串损耗带。
一个独立的LPG可能在一个很宽的波长规模内有许多的共振，LPG共振的中心波长首要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率改变而发生的任何改变都能在共振中发生大的波长位移，通过检测△λi，就可取得外界物理量改变的信息。 LPG在给定波长上的共振带的呼应一般有不同的起伏，因而LPG适用于多参数传感器。
光栅传感器的运用范畴
因为光栅传感器丈量精度高、动态丈量规模广、可进行无触摸丈量、易完结体系的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的运用。
光栅传感器在航空航天器及船只中的运用
先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀功用较好，并且可以减轻船体或航天器的分量，关于快速航运或飞翔具有重要意义，因而复合材料越来越多地被用于制作航空帆海东西(如飞机的机翼)。
为全面衡量船体的状况，需求了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的打击力，一般船体大约需求100个传感器，因而波长复用才能极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。
光纤光栅传感体系可丈量船体的弯曲应力，并且可丈量波浪对湿甲板的打击力。具有干与勘探功用的16路光纤光栅复用体系成功完结了带宽为5kHz规模内、分辩率小于10ne/(Hz)1/2的动态应变丈量。
别的，为了监测一架飞翔器的应变、温度、振荡，起落驾驭状况、超声波场和加速度状况，一般需求100多个传感器，故传感器的分量要尽量轻，尺度尽量小，因而最灵活的光纤光栅传感器是最好的挑选。
别的，实践上飞机的复合材猜中存在两个方向的应变，嵌人材猜中的光纤光栅传感器是完结多点多轴向应变和温度丈量的抱负智能元件。
光栅传感器在民用工程结构中的运用
民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活泼的范畴。关于桥梁、矿井、地道、大坝、建筑物等来说，通过丈量上述结构的应变散布，可以预知结构部分的载荷及状况，便利进行维护和状况监测。
光纤光栅传感器可以贴在结构的外表或预先埋入结构中，对结构一起进行冲击检测、形状操控和振荡阻尼检测等，还以监督结构的缺点状况。别的，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准散布式检测，并通过核算机对传感信号进行长途操控。
光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。运用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的外表，或在梁的外表开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽中(便于防护)。
假如需求愈加完善的维护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋。一起，为了批改温度效应引起的应变，可运用应力和温度分隔的传感臂，并在每一个梁上均装置这两个臂。
光栅传感器在电力工业中的运用
光纤光栅传感器因不受电磁场搅扰和可完结长距离低损耗传输，然后成为电力工业运用的抱负挑选。电线的载分量、变压器绕线的温度、大电流等都可运用光纤光栅传感器丈量。
在电力工业中，电流转化器可把电流改变转化为电压改变，电压改变可使压电陶瓷(PZT)发生形变，而运用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移，很简单得知其形变，然后测知电流强度。这是一种较为廉价的办法，并且不需求杂乱的电阻隔。
别的，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发风险事情，因而在线检测电线压力非常重要，特别是关于那些不易检测到的山区电线。
光纤光栅传感器可测电线的载分量，其原理为把载分量的改变转化为紧贴电线的金属板所受应力的改变，这一应力改变即可被粘于金属板上的光纤光栅传感器勘探到。
这是运用光纤光栅传感器完结远距离恶劣环境下丈量的实例，在这种状况下，相邻光栅的距离较大，故不需快速调制和解调。
近年来，因冰雨导致的输电线路杆塔的损坏时有发生。为了监测输电杆塔的歪斜状况，常用的办法是用GSM杆塔仪将传感器检测到的杆塔歪斜信息发送给管理人员和监控核算机，在核算机内进行数据处理，并依据详细的数据处理成果宣布报警信息;另一种办法是将电阻应变片直接贴在输电杆塔的结构件上，直接进行监测。这2种办法在运用时，都遭到一些要素的约束，给监测作业带来晦气的影响。
近几年，光纤传感器的工程运用研讨敏捷发展。其间，光纤光栅传感器是用光纤布拉格光栅作为灵敏元件的功用型光纤传感器，可以直接传感温度和应变以及完结与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的间接丈量。通过光纤光栅传感器的应力改变数据可以反映出杆塔的歪斜状况，将这种办法运用在杆塔的歪斜状况监测中会有很大的优势。
运用光纤布拉格光栅这一光纤传感技能来完结输电线杆塔歪斜状况监测时，运用光纤布拉格光栅上应力改变引起的波长位移信息，得到光栅所感应到的应力改变信息，然后对应得到杆塔的歪斜状况信息，完结对杆塔歪斜状况的监测。
光栅传感器在医学中的运用
医学顶用的传感器多为电子传感器，它对许多内科手术是不适用的，尤其是在高微波(辐射)频率、超声波场或激光辐射的过高热医治中。因为电子传感器中的金属导体很简单受电流、电压等电磁场的搅扰而引起传感头或肿瘤周围的热效应，这样会导致过错读数。
近年来，运用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以替代外科手术越来越遭到医学界的重视，并且传感器的小尺度在医学运用中对错常重要的，因为小的尺度对人体安排的损伤较小，而光纤光栅传感器正是目前为止可以做到的最小的传感器。它可以通过最小限度的损害方法丈量人体安排内部的温度、压力、声波场的精确部分信息。
到目前为止，光纤光栅传感体系现已成功地检测了病变安排的温度和超声波场，在30℃～60℃的规模内，取得了分辩率为0.1℃和精确度为±0.2℃的丈量成果，而超声场的丈量分辩率为10-3atm/Hz1/2，这为研讨病变安排供给了有用的信息。
光纤光栅传感器还可用来丈量心脏的功率。在这种办法中，医师把嵌有光纤光栅的热稀释导管刺进患者心脏的右心房，并打针人一种冷溶液，可丈量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这关于心脏监测对错常重要的。
光栅传感器在我国高铁运转安全技能中的运用
咱们平常搭乘列车，有时会觉得轰动很大，搭车不舒服，这便是列车车轮呈现了扁疤或许多边形。扁疤尽管只需几微米，但因为高铁运转速度快，却会对高铁发生极大轰动。而传感器的效果，便是发现列车哪些当地呈现了扁疤。
所谓光纤光栅监测体系，其实便是将碳纤维拉成光纤，再刻成光栅以装置在列车和铁轨上的传感器。光栅接收到激光信号后，会有反射波长，依据列车不同方位光栅反射回的波长状况，就可实时监测列车安全。
高铁线路杂乱多样，放置传感器成为了一个大问题。光纤传感器的高超之处就在于运用铁轨监测列车，即在铁轨的某一小段放置传感器，只需确保传感器铺放长度稍大于一个车轮周长，就能将一切通过这一段的列车车轮悉数监测一次。同理，也可运用在车轮上放置传感器监测铁轨。
关于光纤光栅传感器的优势，一方面，传统的传感器运用电信号会遭到火车及铁轨发生的电磁信号搅扰，而光纤则不存在这个问题;另一方面，中心研制的传感器质量小，可直接装置在高铁上，并不影响列车正常运转。
光栅传感器在数控机床上的运用
光栅传感器作为数控机床直线轴的方位检测元件，相当于人的“眼睛”，便是“监督”该直线轴在履行数控体系的移动指令后，该直线轴是否真实精确地运转到数控体系指令所要求的方位。
假如数控机床没有装置光栅传感器，当数控体系宣布直线轴的移动指令后，直线轴能否抵达数控体系要求的方位，彻底依托数控体系调试的精度和机械传动精度来确保。
数控机床运用一段时刻后，因为电气调试参数的修正和机械差错的加大等原因，该直线轴很可能和数控体系指令所要求的方位相差许多，这时候数控体系底子不知道，修理和操作机床的人员也不知道，要想知道这个距离，修理人员就要对机床进行精度检测。
所以数控机床没有装置光栅传感器，就要定时对机床的精度进行检查，一不小心，一旦忘掉检测数控机床的精度，很可能导致加工的产品精度超差乃至作废。
假如数控机床的直线轴装置了光栅传感器，上述问题就不用人来操心了，由光栅传感器来完结这个任务。
假如该直线轴因为机械等原因没有精确抵达该方位，光栅传感器作为方位检测元件，会向数控体系宣布指令，使该直线轴可以抵达比较精确的方位，直到光栅传感器的分辩率分辩不出来。
这时的光栅传感器充当了独立于机床之外的监督功用，象人的眼睛相同，一向“监督”着直线轴的方位，确保了直线轴可以抵达数控体系要求的方位。
