FBG光學傳感器基本原理及其優勢

數十年來，電子傳感器越來越普遍用于生活當中，但同時也存在許多限制。為了克服信號傳輸過程中的損耗，以及消除由電磁干擾引起的噪聲影響，研發人員利用“光”作為介質取代“電”，使用標準光纖替代銅線，研發出基于光纖布拉格光柵（FBG）的光學傳感技術。

FBG光學傳感器概述

光纖布拉格光柵（FBG）傳感器是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器。這種傳感器會根據環境溫度以及應變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強周期分布的光波下面。這樣的光纖的光折射率就會根據其被照射的光波強度而永久改變。這種方法造成的光折射率周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

當一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長。這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長的光波，而其他波長的光波都會被傳播，

λb= 2nΛ

在方程中，λb是布拉格波長，n是光纖纖芯的有效折射率，而Λ是光柵之間的間隔長度，稱為光柵周期。

因為布拉格波長是光柵之間的間隔長度的函數，所以光纖布拉格光柵可以被生產為具有不同的布拉格波長，這樣就能夠使用不同的光纖布拉格光柵來反射特定波長的光波。

光纖布拉格光柵透視圖

應變以及溫度的改變會同時影響光纖布拉格光柵有效的光折射率n以及光柵周期Λ，造成的結果就是光柵發射光波波長的改變。光纖布拉格光柵反射波長隨應變和溫度的變化可近似表示為方程

其中 Δλ 是反射波長的變化而 λo 為初始的反射波長。

右邊加號前的第一個表示式表示的是應變的變化對反射波長的影響。其中Pe 是應變光學靈敏系數，而 ε 是光柵所受到應變影響。加號后面的第二個表達式表示的是溫度的變化對波長造成的影響。其中 αΛ 是熱膨脹系數而 αn 是溫度光學靈敏系數。αn 體現了光折射率因為溫度變化造成的影響而 αΛ 體現了同樣的溫度變化造成的光柵周期的改變。

FBG光學傳感器的優勢

通過“光”作為介質取代“電”，使用標準光纖替代銅線，FBG光學傳感器解決了許多電子傳感器的限制，同時不受電磁感應噪聲的影響。并且測試的數據具有低丟失率甚至是零丟失率的優點，同時，多個光學傳感器可以同時完成測試，極大地減小了測試系統的體積以及復雜度。