布拉格光栅技术 35 个常见问题解答（一）

基于布拉格光栅（FBG）的光纤传感器正变得越来越受欢迎。它们易于安装，免受电磁干扰，可用于可能爆炸的环境。但是布拉格光栅如何工作？

我们的专家整理了 35个常见问题，并给出了精准回答：

布拉格光栅如何工作?

布拉格光栅是波长非常小的的光纤，其包括多个可反射特定波长反射点。光栅结构可以通过强烈 UV光对光纤芯影响产生。

布拉格光栅的反射点之间的距离总是相等的。精确匹配两个反射点距离的波长由光栅反射，而其他波长不被反射或被阻止。布拉格光栅传感器信号是每个光栅反射产生的窄光谱。

解调仪可以测定独立反射峰的波长。一旦布拉格光栅遭受应力变化，反射点距离将会改变，并且反射不同的波长。这样布拉格波长变化就可以被测量。类似于电阻应变片, 应用中包括:

λ    布拉格光栅的基本波长（测量开始时的波长）

Δλ  施加到光栅的应变产生的波长变化

k     k 系数

ε    应变

如何测量应变？

通过布拉格光栅传感器，光栅解调仪测定的是窄光谱的峰值波长。当应变导致光栅传感器波长变化时，解调仪测定的波长峰值与应变成正比。其中应变系数或传感器灵敏度被用作比例系数。

HBM FiberSensing 解调仪带有图形化用户界面和强大的采集和数据分析软件，例如 catman®.

应变测量对温度是否敏感？

光纤布拉格光栅对应变和温度都很敏感。这意味着经受应变和温度的传感器的应变测量也受温度变化的影响。但这种效应是很好的特点并容易补偿。有几种方法可以补偿这种影响：

• 采用另外一个光栅传感器在相同温度变化下只进行温度测量

• 采用另外一个光栅传感器作为样件 (安装在相同材料上，但不施加应变);

• 采用另外光栅传感器确保施加的应变相同, 但带有不同信号 (例如一个在悬臂顶部，一个在底部);

• 采用一个裸布拉格光栅，不固定且不带有端子;

• 采用无热应变传感器以补偿应变测量中的不期望的温度效应;

• 其他…

什么是温度补偿，如何工作?

1) 布拉格光栅（FBG）应变依赖性

布拉格光栅的应变依赖性由下式给出：

这里:

   k– 布拉格光栅的 k 系数

2} 布拉格光栅（FBG）温度依赖性

布拉格光栅的温度依赖性由下式给出：

这里:

    – 光纤的热膨胀系数

   ζ –  热光系数（折射率对温度的依赖性）

3) 固定布拉格光栅（FBG）的温度依赖性

如果光纤应变仪被固定到刚性无应变结构，温度可以改变光纤的折射率，但是其膨胀由结构固定。这等同于考虑固定光纤的热膨胀= 0。光纤布拉格光栅测量应变的温度依赖性为：

当测量应变时，该温度引起的波长变化与应变混淆。实际由温度引起的测量应变为

因此，对温度的交叉敏感性（TCS）由下式给出：

有效应变应该由应变传感器测量的应变减去温度的影响：

 这种变形的校正没有考虑温度对固定传感器结构变形的影响。

固定在结构上的布拉格光栅（FBG）的温度依赖性

为了补偿由于温度效应引起的结构的变形，计算应当考虑结构的热膨胀系数（CTE）来进行。

结构的总应变变化为：

固定到承受负载和温度的结构的传感器的波长变化由下式给出：

这意味着为了补偿由于温度效应引起的结构的变形，有必要知道传感器固定在其上的结构的材料的CTE值。

在应力和温度双重影响的情况下，是否可能仅测量应力？还是温度效应？

为了仅测量应力，需要补偿温度的影响。 有几种方法，其中包括使用特殊的机械结构或使用额外的布拉格光栅（FBG）传感器。

例如通过裸光纤，或是光纤补偿传感器 OTC 或是 FS63 光纤温度传感器来实现 

我能用布拉格光栅传感器测量薄片的弯曲应变吗？

相比传统应变片，布拉格光栅传感器具有更大厚度，在测量弯曲应变时，不可避免地会产生较大的误差，但可以通过一项方式补偿:

εOF  部件的表面应变

εAnz  通过光纤测量的应变

h    部件的厚度

d    部件表面到光纤的距离

另外，光纤具有更小的弯曲半径。HBM OP Line 传感器具有弯曲表面的应变测量能力，考虑的距离 d=0.5 mm.

FS Line 传感器的标准布拉格波长距离为6.4nm，OP Line传感器的标准布拉格波长距离为5nm，有什么具体原因？

布拉格波长是布拉格光栅生产时进行的定义。 为了简化生产，定义了标准值。

由于历史原因导致 FS Line 和 OP Line 波长不同。

实际上，可在 1500 nm 和 1600 nm 波长之间进行定制。

在恶劣的环境下，FBG技术可以应用于哪里？

HBM FiberSensing 光学系统现已经成功部署的恶劣环境包括：高温，高辐射，高真空，高压和低温环境。

例如以下应用:

• 大功率发电机的振动和温度监测;

• 电力变压器热点监测;

• 风力叶片监控;飞机燃料箱中的应力监测;

• 热核反应堆中的应变，温度和位移监测;

• 航天器监控等

光纤可以实现的最大传输距离是多少？

光纤中的距离衰减非常小。 结合HBM FiberSensing光学解调仪，光纤长度可以达到几十公里。

什么是光纤传感器的压力效应

当光栅经受压力时，反射峰上存在波长偏移。 波长变化约为：

然而，与由应变或温度变化引起的波长变化相比，这种效应非常小，因此通常被忽略。

在遭受压力，光纤传感器经受点横向负载时，会发生双折射现象。 这意味着将出现新的峰（两个峰将同时共存），并且其偏移也可以被量化。