本文以實(shí)際的光波為基礎(chǔ)講述了布拉格FBG光纖光柵的基本原理，能夠幫助大家理解光纖光柵應(yīng)力傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵溫度傳感器的內(nèi)在機(jī)理。本文為了解北京大成永盛科技有限公司所生產(chǎn)的北諾?毛細(xì)?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器的前置科普性文章。

在上一篇《光纖光柵和光纖光柵傳感器基本原理之一，波的反射與疊加》文章中，我們通過聲波來類比光波，給出了大家了解北京大成永盛科技有限公司生產(chǎn)的北諾?毛細(xì)?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器原理所需的前置知識(shí)——波的反射與疊加（干涉）。

今天我們將以此為基礎(chǔ)，介紹光纖光柵傳感器的基本原理（也包括光纖光柵原理）。本篇文章同樣為科普性文章，非科研性文章，如果哪位朋友覺得本文有錯(cuò)誤，也請(qǐng)來信指正。

圖1

一、光纖光柵傳感器（FBG?sensor）中的光纖光柵（FBG）

光纖光柵傳感器（FBG Sensor）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵（FBG）的傳感過程是通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格光柵（FBG）波長(zhǎng)的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。

下圖圖2所示即為一根刻寫了布拉格光纖光柵（FBG）的光纖纖芯示意圖（真實(shí)直徑9微米）。人們使用紫外光掩模板照射、飛秒激光逐點(diǎn)刻寫或者其它的加工方式，在光纖的纖芯部分形成無數(shù)條具有相同間距的弱反射面（我們?cè)诖藭翰唤榻B更復(fù)雜的光柵），這些弱反射面被稱為光纖光柵，各個(gè)弱反射面之間的距離被稱為光柵柵距或光柵周期（我們一般用Λ這個(gè)符號(hào)來表示它——請(qǐng)記住這個(gè)符號(hào)，下文需要用到）。

圖2

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二、光纖光柵（FBG）和光纖光柵傳感器（FBG?sensor）的傳感原理圖

利用上述光纖光柵就可以進(jìn)行基本的傳感測(cè)量，其原理如下圖3所示：

圖3

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三、光纖光柵（FBG）和光纖光柵傳感器（FBG?sensor）的原理公式

圖3中間所示即是一根光纖光柵（FBG）或封裝好的北諾?毛細(xì)?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器（FBG?sensor）：寬帶入射光從光柵傳感器的一端進(jìn)入光纖，遇到光纖光柵（FBG）后，大部分波長(zhǎng)的光作為透射光直接穿過光纖光柵，少部分特殊波長(zhǎng)的光被反射了回去（請(qǐng)注意這個(gè)特殊波長(zhǎng)，這就是我們每次要檢測(cè)的對(duì)象，我們用λＢ來表示它）。λＢ和我們前面所說的光柵柵距（光柵周期）Λ有直接關(guān)系，表征其關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ，其中λ為反射波長(zhǎng)，ｎｅｆｆ是光纖纖芯折射率，Λ是光柵柵距（光柵周期）。

接下來反射光進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀（圖上未標(biāo)），被解調(diào)出波長(zhǎng)信號(hào)λＢ。由于連著光纖光柵傳感設(shè)備，因此我們每時(shí)每刻都能夠得到一個(gè)不同的測(cè)試波長(zhǎng)信號(hào)λＢ。通過前面的數(shù)學(xué)表達(dá)式，我們可以知道，為什么在下一刻返回的波長(zhǎng)信號(hào)λ變化了（變化量表征為ΔλＢ）？根本原因是光纖光柵的光柵柵距（光柵周期）Λ發(fā)生了變化（變化量表征為ΔΛ）。

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四、光纖光柵（FBG）和光纖光柵傳感器（FBG?sensor）能夠測(cè)量溫度、應(yīng)變、應(yīng)力的原理

好了，到此我們已經(jīng)可以跳出拗口的數(shù)學(xué)符號(hào)，切換回現(xiàn)實(shí)環(huán)境中想象一下，什么可以引起光柵柵距（光柵周期）Λ發(fā)生變化？

聰明的你應(yīng)該可以馬上想到：

第一個(gè)可能原因是受力：你給光纖光柵（FBG）一個(gè)拉力，它會(huì)變長(zhǎng)，你給光纖光柵（FBG）一個(gè)壓力，它會(huì)變短；

第二個(gè)可能原因是溫度：光纖光柵（FBG）受熱膨脹，它會(huì)變長(zhǎng)，光纖光柵（FBG）遇冷收縮，它會(huì)變短。

在這個(gè)過程中，充滿了智慧的人們把可以準(zhǔn)確檢測(cè)的波長(zhǎng)信號(hào)與三個(gè)基本物理參量聯(lián)系了起來，分別是力（拉力壓力）、長(zhǎng)度（變長(zhǎng)變短）和溫度（受熱遇冷），因此光纖光柵傳感器（FBG sensor）能夠直接測(cè)量的基本物理量就包括了應(yīng)力、應(yīng)變和溫度（具體產(chǎn)品分別對(duì)應(yīng)于北諾?毛細(xì)?無縫鋼管光纖光柵應(yīng)力傳感器、北諾?毛細(xì)?無縫鋼管光纖光柵應(yīng)變傳感器和北諾?毛細(xì)?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器）。

圖4

當(dāng)然了，作為一篇介紹北諾?毛細(xì)?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器的前置科普文章，我們簡(jiǎn)化了其數(shù)學(xué)計(jì)算，同時(shí)考慮了應(yīng)力、應(yīng)變、溫度的波長(zhǎng)變化數(shù)學(xué)計(jì)算過程比我們所列“λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ”的要復(fù)雜一些，這是因?yàn)?，光纖纖芯折射率ｎｅｆｆ也是一個(gè)變量，其總體公式如下：ΔλＢ ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ，我們?cè)诖瞬辉僬归_。

行文至此，相信你已經(jīng)對(duì)于光纖光柵和光纖光柵傳感器的工作原理有了一定的認(rèn)識(shí)，，也會(huì)如我般對(duì)于人們的智慧發(fā)自內(nèi)心地贊嘆。那么，從原理化的光纖光柵（FBG）到實(shí)用化封裝好的光纖光柵傳感器（FBG sensor），中間還會(huì)有什么問題？又該如何解決？我們將在下文講述，敬請(qǐng)期待！

我們的理念是：“北諾?，讓光纖不脆弱！”

聲明：本公司系列產(chǎn)品多包含了包括商標(biāo)和專利在內(nèi)的多項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為推動(dòng)行業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，北諾?毛細(xì)?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器產(chǎn)品價(jià)格適中，鼓勵(lì)大家正規(guī)渠道購(gòu)買。未經(jīng)授權(quán)，請(qǐng)勿仿制！

附1：

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