光纤布拉格光传感器的工作原理和应用案例

导读

在电气与电子行业应用场景中，高电压环境及强电磁干扰极易导致传统电子传感器失效，使其难以实现可靠测量。在此背景下，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器成为一种行之有效的解决方案。FBG 传感器具有重量轻、安装便捷、多点复用能力强等优势，可在同一根光纤上实现对温度、应变、载荷、压力等多种物理量的分布式测量。与依赖供电的传统传感器不同，光纤传感器为无源器件，无需外部电源，适用于输电线路、油气管道等长距离、高安全性要求的应用场景。

光纤布拉格光栅(FBG)的工作原理基于单模光纤纤芯折射率的周期性调制，在光纤中形成分布式布拉格反射结构。当宽谱光通过 FBG 时，特定中心波长的光被反射，其余波长则继续透射。当环境温度或应变发生变化时，光栅周期及有效折射率随之改变，从而引起反射中心波长的漂移，通过检测该波长变化即可实现物理量测量。

构造和工作原理

光纤布拉格光栅(FBG)是一种基于光学原理的高精度传感器，其制备方法为：将单模光纤纤芯横向暴露在周期性强紫外激光照射下，在纤芯内部形成折射率的永久性周期变化，即光栅结构(Λ)。该结构可选择性反射特定波长的入射光，该波长被称为布拉格波长 λBragg，并透射其他波长的光。布拉格波长与光栅周期及纤芯有效折射率密切相关，其关系式如下所示。

(图片来源自网络)

当温度或应变引起光栅周期变化时，反射布拉格波长将发生相应偏移，该变化可作为物理量测量的依据，如下图所示。

(图片来源自网络)

光纤布拉格光栅传感器系统的设计

用于载荷、温度及应变测量的 FBG 传感系统通常由宽带光源、光纤布拉格光栅传感器、光纤连接器及解调(询问)单元构成。当被测物理量发生变化时，询问单元可实时检测反射布拉格波长的偏移量，其变化关系可由下式表示。

其中，pe 为应变光学系数，ε为应变变量，α为热膨胀系数，ζ为热光系数，ΔT 为温度变化量。该公式表明，布拉格波长偏移同时受温度和应变共同影响。对于石英光纤，pe 的典型值约为 0.22，其余参数为已知常数。

FBG 在温度测量中的应用

光纤布拉格光栅(FBG)已广泛应用于天然气管道监测、油气勘探及科研实验等温度测量领域。根据理论公式可知，布拉格波长偏移同时受温度与应变影响。为实现纯温度测量，通常将 FBG 封装于保护套管中，并在两端保持机械松弛状态，以有效隔离外界应变干扰，从而提升温度测量的准确性和稳定性。

利用光纤布拉格光栅进行温度测量的实验装置(图片来源自网络)

在实验系统中，裸 FBG 可在最高约 600 ℃ 的温度范围内稳定工作。FBG 与加热器及热电阻(RTD)保持良好接触，其中 RTD 作为参考温度传感器，用于校准与调节 FBG 的工作温度。实验系统采用 12V 直流电源供电，温度测量原理基于布拉格反射波长随温度变化产生的峰值漂移。 布拉格波长峰值漂移与温度之间的关系可由下式表示。

FBG 传感器的典型温度灵敏度约为 11.5 pm/℃。(图片来源自网络)

FBG 在应变测量中的应用

应变定义为结构在外力作用下长度变化量ΔL 与原始长度 L 的比值。光纤在受力时产生相应应变，同时温度变化会引起热膨胀效应，从而对测量结果造成干扰。因此，在基于 FBG 的应变测量中，通常需要进行温度补偿。通过在同一位置配置温度参考光栅，可有效消除温度对波长漂移的影响。由此可通过相关公式计算得到纯应变引起的波长变化。

FBG 传感器的应变灵敏度通常约为 1.02 pm/με，适用于高精度结构健康监测与工程测量场景。

FBG 传感器的其他应用

除温度与应变测量外，光纤布拉格光栅(FBG)还可用于构建光学加速度计，广泛应用于桥梁、轨道交通、重型机械及大型结构的振动监测。

此外，FBG 传感器具备同时测量多种参数(如温度、载荷、应变、压力、振动及倾角等)的能力，支持单点及多点分布式传感。相较于传统传感器，其在灵敏度、长期稳定性及可靠性方面具有显著优势，是高精度监测应用的理想解决方案。

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