導(dǎo)讀

在電氣與電子行業(yè)應(yīng)用場景中，高電壓環(huán)境及強(qiáng)電磁干擾極易導(dǎo)致傳統(tǒng)電子傳感器失效，使其難以實(shí)現(xiàn)可靠測量。在此背景下，光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器成為一種行之有效的解決方案。FBG 傳感器具有重量輕、安裝便捷、多點(diǎn)復(fù)用能力強(qiáng)等優(yōu)勢，可在同一根光纖上實(shí)現(xiàn)對溫度、應(yīng)變、載荷、壓力等多種物理量的分布式測量。與依賴供電的傳統(tǒng)傳感器不同，光纖傳感器為無源器件，無需外部電源，適用于輸電線路、油氣管道等長距離、高安全性要求的應(yīng)用場景。

光纖布拉格光柵(FBG)的工作原理基于單模光纖纖芯折射率的周期性調(diào)制，在光纖中形成分布式布拉格反射結(jié)構(gòu)。當(dāng)寬譜光通過 FBG 時(shí)，特定中心波長的光被反射，其余波長則繼續(xù)透射。當(dāng)環(huán)境溫度或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光柵周期及有效折射率隨之改變，從而引起反射中心波長的漂移，通過檢測該波長變化即可實(shí)現(xiàn)物理量測量。

構(gòu)造和工作原理

光纖布拉格光柵(FBG)是一種基于光學(xué)原理的高精度傳感器，其制備方法為：將單模光纖纖芯橫向暴露在周期性強(qiáng)紫外激光照射下，在纖芯內(nèi)部形成折射率的永久性周期變化，即光柵結(jié)構(gòu)(Λ)。該結(jié)構(gòu)可選擇性反射特定波長的入射光，該波長被稱為布拉格波長 λBragg，并透射其他波長的光。布拉格波長與光柵周期及纖芯有效折射率密切相關(guān)，其關(guān)系式如下所示。

(圖片來源自網(wǎng)絡(luò))

當(dāng)溫度或應(yīng)變引起光柵周期變化時(shí)，反射布拉格波長將發(fā)生相應(yīng)偏移，該變化可作為物理量測量的依據(jù)，如下圖所示。

(圖片來源自網(wǎng)絡(luò))

光纖布拉格光柵傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

用于載荷、溫度及應(yīng)變測量的 FBG 傳感系統(tǒng)通常由寬帶光源、光纖布拉格光柵傳感器、光纖連接器及解調(diào)(詢問)單元構(gòu)成。當(dāng)被測物理量發(fā)生變化時(shí)，詢問單元可實(shí)時(shí)檢測反射布拉格波長的偏移量，其變化關(guān)系可由下式表示。

其中，pe 為應(yīng)變光學(xué)系數(shù)，ε為應(yīng)變變量，α為熱膨脹系數(shù)，ζ為熱光系數(shù)，ΔT 為溫度變化量。該公式表明，布拉格波長偏移同時(shí)受溫度和應(yīng)變共同影響。對于石英光纖，pe 的典型值約為 0.22，其余參數(shù)為已知常數(shù)。

FBG 在溫度測量中的應(yīng)用

光纖布拉格光柵(FBG)已廣泛應(yīng)用于天然氣管道監(jiān)測、油氣勘探及科研實(shí)驗(yàn)等溫度測量領(lǐng)域。根據(jù)理論公式可知，布拉格波長偏移同時(shí)受溫度與應(yīng)變影響。為實(shí)現(xiàn)純溫度測量，通常將 FBG 封裝于保護(hù)套管中，并在兩端保持機(jī)械松弛狀態(tài)，以有效隔離外界應(yīng)變干擾，從而提升溫度測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

利用光纖布拉格光柵進(jìn)行溫度測量的實(shí)驗(yàn)裝置(圖片來源自網(wǎng)絡(luò))

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，裸 FBG 可在最高約 600 ℃ 的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。FBG 與加熱器及熱電阻(RTD)保持良好接觸，其中 RTD 作為參考溫度傳感器，用于校準(zhǔn)與調(diào)節(jié) FBG 的工作溫度。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用 12V 直流電源供電，溫度測量原理基于布拉格反射波長隨溫度變化產(chǎn)生的峰值漂移。 布拉格波長峰值漂移與溫度之間的關(guān)系可由下式表示。

FBG 傳感器的典型溫度靈敏度約為 11.5 pm/℃。(圖片來源自網(wǎng)絡(luò))

FBG 在應(yīng)變測量中的應(yīng)用

應(yīng)變定義為結(jié)構(gòu)在外力作用下長度變化量ΔL 與原始長度 L 的比值。光纖在受力時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)變，同時(shí)溫度變化會引起熱膨脹效應(yīng)，從而對測量結(jié)果造成干擾。因此，在基于 FBG 的應(yīng)變測量中，通常需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過在同一位置配置溫度參考光柵，可有效消除溫度對波長漂移的影響。由此可通過相關(guān)公式計(jì)算得到純應(yīng)變引起的波長變化。

FBG 傳感器的應(yīng)變靈敏度通常約為 1.02 pm/με，適用于高精度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與工程測量場景。

FBG 傳感器的其他應(yīng)用

除溫度與應(yīng)變測量外，光纖布拉格光柵(FBG)還可用于構(gòu)建光學(xué)加速度計(jì)，廣泛應(yīng)用于橋梁、軌道交通、重型機(jī)械及大型結(jié)構(gòu)的振動監(jiān)測。

此外，F(xiàn)BG 傳感器具備同時(shí)測量多種參數(shù)(如溫度、載荷、應(yīng)變、壓力、振動及傾角等)的能力，支持單點(diǎn)及多點(diǎn)分布式傳感。相較于傳統(tǒng)傳感器，其在靈敏度、長期穩(wěn)定性及可靠性方面具有顯著優(yōu)勢，是高精度監(jiān)測應(yīng)用的理想解決方案。

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