當(dāng)光柵發(fā)生應(yīng)變時(shí)，產(chǎn)生的彈性變形將使光柵的周期改變，光彈性效應(yīng)也會(huì)使纖芯的折射率變化，相應(yīng)的改變了光纖光柵中心波長(zhǎng)變化。由于光纖光柵中心波長(zhǎng)的改變與外界應(yīng)變變化成良好的線性關(guān)系，因此通過電熱轉(zhuǎn)換、利用電磁力、磁致伸縮材料以及電致伸縮材料等使光纖光柵發(fā)生變形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、磁場(chǎng)等物理量的測(cè)量。
動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)
1994年，Kersey和Marrone報(bào)道了基于法拉第效應(yīng)的光纖光柵磁場(chǎng)探測(cè)傳感器。法拉第效應(yīng)表明在磁場(chǎng)作用下通過光纖光柵的左旋和右旋偏振光的折射率大小會(huì)發(fā)生微弱的變化。假定沿光纖光柵軸向施加磁場(chǎng)H，左旋和右旋偏振光的折射率變化狀況可以表示為
根據(jù)耦合模理論導(dǎo)出的Bragg方程，在忽略環(huán)境溫度變化條件下，可以推出光纖均勻光柵在外界物理量作用下Bragg 反射波長(zhǎng)位移量表達(dá)式
對(duì)鋯鈦酸鉛(PZT)和碘硫化銻(SbSI)兩種壓電物質(zhì)為探頭材料的情況進(jìn)行了計(jì)算。鋯鈦酸鉛是ABO3型鈣鈦結(jié)構(gòu)的二元系固體，由鋯酸鉛和鈦酸鉛構(gòu)成的壓電陶瓷材料，其化學(xué)式為Pb(Zrx·Ti1-x)O3，PZT是壓電陶瓷材料中用的最多最廣的一種。為了有較高的分辨率，選擇壓電陶瓷中壓電常數(shù)d33數(shù)值較大的PZT-5H，它的壓電常數(shù)d33=593×10-12C/N。
碘硫化銻晶體是一種鐵電半導(dǎo)體，紫紅色、透明結(jié)晶、不溶于水，屬于Ⅴ-Ⅵ-Ⅶ族化合物晶體，在居里溫度(約20℃)以下，屬正交晶體點(diǎn)群2mm，有較強(qiáng)的壓電性，SbSI晶體各向異性顯著，沿C軸方向有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)，壓電系數(shù)d33=1300×10-12C/N，耦合系數(shù)K33≈0.87，是目前耦合系數(shù)最大的壓電晶體。
取兩種材料的長(zhǎng)度L=10mm，SbSI晶體沿C軸方向切割；對(duì)石英類光纖的材料參數(shù)選為：P11=0.12，P12=0.27，neff=1.465，ν=0.17，λB=1.55μm；將數(shù)據(jù)代入相關(guān)公式,可得圖4.108至圖4.113曲線。
圖4.108至圖4.113是關(guān)于PZT-5H壓電陶瓷和SbSI壓電晶體的縱向應(yīng)變εez、外加電壓U、Bragg反射波長(zhǎng)λB和反射波長(zhǎng)位移量ΔλB四個(gè)變量之間的相互關(guān)系曲線。從圖4.108至圖4.110可知：兩種材料的λB～ΔL/L、ΔλB～ΔL/L、λB～ΔλB變化關(guān)系一致，兩條直線分別相互重疊，只是在相同的電壓下，PZT材料的相應(yīng)參數(shù)變化較SbSI材料的參數(shù)變化來得?。欢鴱膱D4.111至圖4.113三種類型圖中，SbSI材料探頭相應(yīng)直線的斜率比PZT材料探頭的大，這是因?yàn)閮煞N材料壓電系數(shù)差異的緣故。從這6張圖中可以看到：它們都表現(xiàn)為線性遞增的特性；這兩種材料波長(zhǎng)響應(yīng)有優(yōu)良的線性變化性能，非常適用于低頻或直流電壓傳感、測(cè)量技術(shù)中的應(yīng)用。本方法簡(jiǎn)捷方便，具有光纖傳感的本質(zhì)安全、可靠、電絕緣性能優(yōu)良、探頭形式靈活、小型化、便于遠(yuǎn)程操作和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)特色，又有光纖光柵檢測(cè)重復(fù)性好，穩(wěn)定性高，可絕對(duì)測(cè)量，抗傳輸光強(qiáng)波動(dòng)起伏能力強(qiáng)，探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可準(zhǔn)分布式傳感，便于復(fù)用技術(shù)的開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。
由于PZT-5H的壓電系數(shù)比SbSI的壓電系數(shù)小一個(gè)數(shù)量級(jí)，輸出光反射譜的中心波長(zhǎng)位移量隨外界電壓的變化率5(ΔλB)/5U，在光纖技術(shù)常用的0.85，1.3，1.55μm波長(zhǎng)下，材料PZT-5H分別是3.9386×10-5，6.0238×10-5，7.1823×10-5nm/V；SbSI對(duì)應(yīng)的是8.6345×10-5，13.2057×10-5，15.7453×10-5nm/V。如果使用的光譜分析儀分辨率是0.01nm時(shí)，那么，相應(yīng)的PZT-5H材料探頭最小可分辨率電壓分別是116，76，64V。在相同的波長(zhǎng)和探頭尺寸條件下，PZT-5H比SbSI最小可分辨率電壓大2.2倍。另外，可以通過壓電材料的縱向幾何尺寸大小來調(diào)節(jié)電壓測(cè)量范圍，對(duì)于同種材料，在電壓擊穿閾值以內(nèi)，較長(zhǎng)的探頭可以測(cè)量較高的電壓，而較短的探頭可以分辨較低的電壓，減小壓電材料的縱向長(zhǎng)度也是提高最小可分辨率電壓的方法之一。因此，可以根據(jù)不同的壓電材料的壓電特性，對(duì)于不同的電壓測(cè)量范圍，選擇合適的壓電材料和尺寸大小，并與光纖光柵有機(jī)地結(jié)合成多種電壓探頭形式(如涂敷式，鑲?cè)胧?，貼裝式等)，可以滿足實(shí)際的低頻或直流電壓測(cè)量要求。
另外，還可以由靜電場(chǎng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度等于電位的負(fù)梯度公式，即E=-▽U，從探測(cè)得到的電壓U，求得對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度E。
