本文介紹了什么是布拉格光纖光柵（光纖布拉格光柵-FBG），以及布拉格光纖光柵是如何工作的，通過布拉格條件公式解釋了光纖光柵原理，并給出了相應(yīng)光纖光柵實(shí)物圖。

同時(shí)介紹了北諾?毛細(xì)?系列無(wú)縫鋼管光纖光柵傳感器大多也是采用光纖布拉格光柵（FBG）制成的：包括光纖光柵溫度傳感器——溫度計(jì)、光纖光柵應(yīng)變傳感器——應(yīng)變計(jì)、光纖光柵應(yīng)力傳感器——拉力計(jì)等產(chǎn)品。

一、什么是光柵？

由大量間距規(guī)律變化的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)器件被稱為光柵，其中最常見的是平行狹縫間距寬度相同的等間距光柵（grating）。

圖1

常用的等間距光柵大多數(shù)被刻寫在玻璃片、金屬板、塑料板上，刻痕可以是不透光的，也可以是部分透光的。但是兩刻痕之間的光滑部分一般都是可以透光的。

精制的光柵，在1cm寬度內(nèi)刻有幾千條乃至上萬(wàn)條刻痕，由于光柵柵距（光柵周期）與光波波長(zhǎng)接近，因此其衍射光或者是透射光會(huì)產(chǎn)生光波的干涉現(xiàn)象。

其中利用透射光衍射的光柵稱為透射光柵，還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵，如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕，兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光，這種光柵稱為反射光柵。?

二、什么是光纖光柵？什么是布拉格光纖光柵（光纖布拉格光柵FBG）

把上述大量間距規(guī)律變化的平行狹縫利用光纖材料的光敏性刻寫到光纖纖芯上，就構(gòu)成了光纖光柵。

其中光柵柵距（光柵周期）均勻一致的光纖光柵（FBG）被稱為布拉格光柵，布拉格光柵的反射波長(zhǎng)非常小，布拉格光纖光柵的反射點(diǎn)之間的距離總是相等的。光柵包括了無(wú)數(shù)個(gè)可反射特定波長(zhǎng)反射點(diǎn)。

布拉格光纖光柵可以通過紫外光掩模板照射法、化學(xué)腐蝕法、飛秒激光逐點(diǎn)寫入法等方式生產(chǎn)。下面是其結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖：

圖2

圖3

圖4

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三、什么是光纖光柵串？

光纖光柵（FBG）使用靈活的一個(gè)表現(xiàn)就是可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳感，理論上我們可以在一根傳感器里刻寫無(wú)數(shù)個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光柵（FBG），實(shí)現(xiàn)對(duì)同一或多個(gè)物理參量的分布式檢測(cè)，刻寫了多個(gè)光纖光柵的光纖被我們稱為光纖光柵串（FBGs）（產(chǎn)品對(duì)應(yīng)為北諾?毛細(xì)?準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器）。

具體例子詳見下圖5，該圖所示光纖刻寫了9個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光柵串（FBGs），能夠?qū)崿F(xiàn)9個(gè)點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量。

圖5

圖6

圖7 （上圖顯示了一條刻寫了8個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光柵串（FBGs）在光頻譜儀上的波長(zhǎng)分布）

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四、光纖光柵原理（FBG光纖光柵傳感原理）

通過精準(zhǔn)匹配兩個(gè)反射點(diǎn)距離，符合布拉格條件的光波信號(hào)被光柵反射，而其它波長(zhǎng)信號(hào)基本不被反射。

圖8

通過連接光纖光柵解調(diào)儀，可以測(cè)定獨(dú)立反射波的光波波長(zhǎng)。一旦光纖布拉格光柵遭受應(yīng)力或溫度變化影響，光柵柵距就會(huì)發(fā)生變化，反射波的光波波長(zhǎng)也會(huì)隨之改變，并且反射不同的波長(zhǎng)，這樣布拉格波長(zhǎng)變化就可以被測(cè)量了。

布拉格光柵（FBG）的波長(zhǎng)變化量與應(yīng)變量和溫度變化量同時(shí)相關(guān)，公式如下：ΔλＢ ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ。

1、光纖光柵測(cè)溫原理——光纖光柵溫度傳感器原理（FBG溫度計(jì)）——熱脹冷縮引起的長(zhǎng)度變化

在光纖光柵（FBG）所處的環(huán)境中，溫度的變化會(huì)引起光纖光柵的光柵柵距Λ（光纖周期）發(fā)生規(guī)律變化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是熱脹冷縮。

通過光纖光柵解調(diào)儀可以測(cè)試出光纖光柵（FBG）的反射光波長(zhǎng)λＢ，由于反射光波長(zhǎng)λＢ和光纖光柵的光柵柵距Λ具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，公式為：λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ，其中ｎｅｆｆ為光纖折射率，因此可以通過了解光纖光柵（FBG）的反射光波長(zhǎng)去了解光纖布拉格光柵（FBG）的溫度。這就是光柵測(cè)溫的原理。

2、光纖光柵測(cè)應(yīng)力原理——光纖光柵應(yīng)力傳感器原理（FBG拉力計(jì)、FBG壓力計(jì)、FBG鋼筋計(jì)）——受力引起的長(zhǎng)度變化

和前面所講的溫度變化類似，力的變化也會(huì)引起光纖光柵（FBG）的光柵柵距Λ（光纖周期）發(fā)生規(guī)律變化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是拉長(zhǎng)壓短。

通過光纖光柵解調(diào)儀可以測(cè)試出光纖光柵的反射光波長(zhǎng)λＢ，由于反射光波長(zhǎng)λＢ和光纖光柵的光柵柵距Λ具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，公式為：λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ，其中ｎｅｆｆ為光纖折射率，因此可以通過了解光纖光柵的反射光波長(zhǎng)去了解光纖光柵所受的拉力或壓力。這就是光纖光柵能夠測(cè)應(yīng)力的原理。

3、光纖光柵測(cè)應(yīng)變?cè)怼饫w光柵應(yīng)變傳感器（FBG應(yīng)變計(jì)）——長(zhǎng)度變化本身

無(wú)論是溫度引起的光纖光柵變化還是受力引起的光纖光柵變化，最終表現(xiàn)都是光纖光柵長(zhǎng)度的變化（應(yīng)變），λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ公式中的Λ所代表的光柵柵距（光纖周期）本身就是光纖光柵在微小尺度上的長(zhǎng)度，因此光纖光柵可以用來(lái)測(cè)應(yīng)變。

五、為什么要對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝（FBG）

北京大成永盛科技有限公司的北諾?毛細(xì)?系列無(wú)縫鋼管光纖光柵傳感器的傳感單元大多是布拉格光纖光柵（FBG），保護(hù)材料為無(wú)縫鋼管。

我們采用無(wú)縫鋼管封裝光纖光柵（FBG）的主要原因在于，光纖布拉格光柵（FBG）非常脆弱，承載光纖光柵（FBG）的光纖也很脆弱，未進(jìn)行封裝保護(hù)的光柵幾乎無(wú)法在實(shí)際工作中進(jìn)行使用。必須要對(duì)光纖光柵進(jìn)行保護(hù)，制成結(jié)實(shí)的光纖光柵傳感器才能在各種復(fù)雜環(huán)境中使用。而這也正是我們所擅長(zhǎng)的。

圖9

圖10

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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(wú)縫鋼管光纖光柵傳感器價(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！