优势

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。

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

这里:

– 布拉格光栅的热灵敏度
– 光纤的热膨胀系数
– 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:
= 0.55x10-6/ºC
= 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

等式 6

 @1550 nm 布拉格光栅的温度灵敏度为 

等式 7

布拉格光栅(FBG) 应变依赖性

布拉格应变是由波长来决定的:

等式 2

这里:

ße – 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



布拉格光栅的灵敏度通过以下等式获得:

等式 3

对于 @1550 nm 布拉格光栅来说,

等式 4

图 4

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。

Figure 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。

图 2 (左上: 注入光纤的光谱; 右上: 光谱的投射光; 中心: 带布拉格光栅的光纤; 表示传输和反射光; 左下: 反射光光谱)

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。

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。 

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)。

图 5
图 6

布拉格光栅 (FBG) 是一种周期性,作为波长选择镜的微结构。这意味着光谱光源被注入到光纤后,只会存在非常窄的光谱。只有布拉格波长的光会被光栅反射,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。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。

布拉格波长 (λB) 是通过微结构的周期(Λ) 和折射芯的折射率 (nef) 来定义的。

 
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。

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布拉格光栅的测量原理

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