導讀

在電氣與電子行業應用場景中，高電壓環境及強電磁干擾極易導致傳統電子傳感器失效，使其難以實現可靠測量。在此背景下，光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)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、多點復用能力強等優勢，可在同一根光纖上實現對溫度、應變、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制，在光纖中形成分布式布拉格反射結構。當寬譜光通過 FBG 時，特定中心波長的光被反射，其余波長則繼續透射。當環境溫度或應變發生變化時，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現物理量測量。

構造和工作原理

光纖布拉格光柵(FBG)是一種基于光學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紫外激光照射下，在纖芯內部形成折射率的永久性周期變化，即光柵結構(Λ)。該結構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，其關系式如下所示。

(圖片來源自網絡)

當溫度或應變引起光柵周期變化時，反射布拉格波長將發生相應偏移，該變化可作為物理量測量的依據，如下圖所示。

(圖片來源自網絡)

光纖布拉格光柵傳感器系統的設計

用于載荷、溫度及應變測量的 FBG 傳感系統通常由寬帶光源、光纖布拉格光柵傳感器、光纖連接器及解調(詢問)單元構成。當被測物理量發生變化時，詢問單元可實時檢測反射布拉格波長的偏移量，其變化關系可由下式表示。

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

FBG 在溫度測量中的應用

光纖布拉格光柵(FBG)已廣泛應用于天然氣管道監測、油氣勘探及科研實驗等溫度測量領域。根據理論公式可知，布拉格波長偏移同時受溫度與應變影響。為實現純溫度測量，通常將 FBG 封裝于保護套管中，并在兩端保持機械松弛狀態，以有效隔離外界應變干擾，從而提升溫度測量的準確性和穩定性。

利用光纖布拉格光柵進行溫度測量的實驗裝置(圖片來源自網絡)

在實驗系統中，裸 FBG 可在最高約 600 ℃ 的溫度范圍內穩定工作。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，用于校準與調節 FBG 的工作溫度。實驗系統采用 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生的峰值漂移。 布拉格波長峰值漂移與溫度之間的關系可由下式表示。

FBG 傳感器的典型溫度靈敏度約為 11.5 pm/℃。(圖片來源自網絡)

FBG 在應變測量中的應用

應變定義為結構在外力作用下長度變化量ΔL 與原始長度 L 的比值。光纖在受力時產生相應應變，同時溫度變化會引起熱膨脹效應，從而對測量結果造成干擾。因此，在基于 FBG 的應變測量中，通常需要進行溫度補償。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。由此可通過相關公式計算得到純應變引起的波長變化。

FBG 傳感器的應變靈敏度通常約為 1.02 pm/με，適用于高精度結構健康監測與工程測量場景。

FBG 傳感器的其他應用

除溫度與應變測量外，光纖布拉格光柵(FBG)還可用于構建光學加速度計，廣泛應用于橋梁、軌道交通、重型機械及大型結構的振動監測。

此外，FBG 傳感器具備同時測量多種參數(如溫度、載荷、應變、壓力、振動及傾角等)的能力，支持單點及多點分布式傳感。相較于傳統傳感器，其在靈敏度、長期穩定性及可靠性方面具有顯著優勢，是高精度監測應用的理想解決方案。

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