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图 1

什么是布拉格光栅?

布拉格光栅 (FBG) 是只有几毫米长度的微结构,可以光刻到单模光纤芯上。通过UV 激光束横向照射光纤并使用相位掩模的方式啦产生干涉图。这将导致在二氧化硅基质(图1)的物理特性的永久性改变。这种空间周期性调制折射将创建一个谐振结构的核心指标。

通过一个主涂层来对光纤进行保护,直径为 250 微米,不带有涂层的光纤直径为 125 微米。光波将在大约  8 微米直径范围内进行传递。 

布拉格光栅(FBG)的优势

工作过程

作为一个共振结构,布拉格光栅将作为一个光波选择镜,它是一种窄带过滤器。光谱光线被注入到光纤中,只有非常窄光谱的光线(以布拉格波长为中心)在光纤内被反射。剩余的光波将继续通过光纤到下一个光栅,并且没有任何损失。 (图 2)

布拉格波长是通过微结构的周期和折射芯的折射率来定义的。.

布拉格光栅是一种对称性结构,因此其将继续反射无论光波是从哪一个方向通过。

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图 2
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图 3

作为应变传感器

布拉格光栅的特性使之可以作为传感器使用。例如,当光纤被拉伸或压缩时,光纤光栅能够测量应变。这是因为光纤的变形导致的布拉格波长(图3)的微观结构周期的变化。

作为温度传感器

对温度的灵敏性是布拉格光栅的另外一个特性。在这种情况下,对波长的变化的影响主要来自由于热光效应(图4)产生的二氧化硅折射率变化。另外,还有热膨胀导致的微结构周期的变化。

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图 4

复用性

布拉格光栅的一个主要特性是复用性。实际上,数百种布拉格光栅可以光刻到一根单一的光纤中,仅相隔几毫米或是相隔数公里 (图 5)。

通过适当的包装,这些微结构可以对温度或应变等参数保持极高的灵敏性,这样可以使传感器具有多功能性,例如,压力,加速度和位移等。 但是,保证这些传感器使用一个光源是非常重要的。另外,多个传感器在同一根光纤上只有轻微的损坏,并且无串扰。只需让光源保证具有足够宽的光谱就能够完成 (图. 6)。

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图 5
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图 6

作为光纤光学传感器,布拉格光栅有多种优势,例如信号低损失,免受电磁场干扰,尺寸小,重量轻,可用于恶劣环境并且灵敏度高,可靠性强等。另外,布拉格光栅固有的串行复用能力,是极佳的电感应测量技术的替代解决方案。

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技术文章:光学应变测量术语

一本有用的技术术语指南,帮助您理解与使用光学应变传感器进行应变测量的基本原理相关的精确概念

布拉格光栅的测量原理

布拉格波长 (λB) 基本上由微结构的周期 (Λ) 和纤芯的折射率 (nef) 定义。

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等式 1

布拉格光栅的特性决定着其可作为传感器使用。例如,当光纤被拉伸或挤压时,布拉格光栅可以用于测量应变。这是因为光纤的变形将会导致微结构的周期改变,从而改变布拉格波长。另外光弹性效应也会使折射率发生一定的变化。

对温度的灵敏性也是布拉格光栅的特性之一。这主要是二氧化硅的折射率会改变布拉格波长。

布拉格光栅(FBG) 应变依赖性

布拉格应变是由波长来决定的:  

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等式 1
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等式 2

这里: k – 布拉格光栅的应变灵敏度
pe – 光弹性系数 (折射轴拉伸系数变化)

光纤的 pe 为   

布拉格光栅的灵敏度通过以下等式获得:

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等式 3

对于 FBG @1550 nm 布拉格光栅来说,

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等式 4
sg optical newLight group 01

技术文章:光纤应变计如何工作

光纤应变计是基于光纤的应变传感器。本文重点介绍基于光纤布拉格光栅(FBG)的传感器,这是HBK所采用的一项技术。

布拉格光栅 (FBG) 温度依赖性

类似于布拉格光栅应变依赖性,温度的依赖性由以下等式确定(等式5):

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等式 5

这里:
α – 光纤的热膨胀系数
ζ– 热-光 系数 (温度的折射指数)。要获得温度灵敏度的近似值,我们可以假定这些值是恒定的:
α= 0.55x10-6/ºC

ζ= 5.77 x10-6/ºC 这意味着这些温度灵敏度的近似值可以通过以下等式获得

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Equation 6

对于l FBG @ 1550nm 布拉格光栅的温度灵敏度为 

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等式 7

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