明白：光纤光栅传感器原理-FBG温度应变应力形状角度振动 ...

xubin · 发表于 2023-7-29 13:56:33

　　本文通过光纤光栅原理的基础“光波的反射与干涉”，讲述了光纤光栅传感原理，包括：光纤光栅测温原理，光纤光栅测应力的原理，光纤光栅测量应变的原理；然后介绍了光纤光栅传感器的工作原理，并给出了光纤光栅传感器原理图。分布式光纤管道完整性技术与特点一直是行业的佼佼者，在业内好评如潮，备受大众所青睐。

　　又介绍了光纤光栅温度传感器测量准确的原理，引出了使用测量准确的FBG温度计给光纤光栅应力传感器做温度补偿的原理，该原理同时也适用于光纤光栅应变传感器、光纤光栅形状传感器等FBG传感器的温度补偿。

　　最后介绍了光纤光栅传感技术和分布式光纤传感技术在原理上的区别。

　　一、光波的反射与干涉原理——从声波的反射与叠加类比光波的反射与叠加

　　二、什么是光纤光栅？光纤光栅能做什么？光纤光栅原理（FBG光纤布拉格光栅原理）

　　三、什么是光纤光栅传感器？为什么要对光纤光栅进行封装？光纤光栅传感器工作原理

　　四、光纤光栅温度传感器测温准确吗？光纤光栅温度传感器准确测量的原理（FBG温度计）

　　五、为什么要对光纤光栅应力传感器传感器进行温度补偿？温度补偿原理（FBG拉力计、FBG压力计），准确测量的原理

　　六、为什么要对光纤光栅应变传感器进行温度补偿？温度补偿原理（FBG应变计），测量准确的原理

　　七、光纤光栅传感器，分布式光纤传感器，光纤传感器的区别与联系——与分布式光纤传感技术在原理上的区别

　　本文在原理讲述方面较为全面，建议选择感兴趣的部分观看。

　　在了解光纤光栅的基本原理（FBG）和光纤光栅传感器的基本原理之前，我们首先需要知道光波的反射和光波的干涉（叠加）。

　　这是因为，光纤光栅传感器（FBG?sensor）最重要的部分就在于能够被准确地检测出某些特殊波长的反射波，通过反射波的波长变化，反映出待测物理量的变化（典型如应力、应变、温度）。

　　由于光波频率很高，波长很短，如果不是专业人士，我们在日常生活中不容易直接观测到光波的特点，为了便于大家理解，我在此处使用声波来类比光波——声波光波，长波短波，反正都是波。?

　　在生活中，你很可能遇到过下面这个情景，当你对着两面墙或者是两座山大喊的时候，你能够听到两次或两次以上的回声（声波的反射）；

　　调整你所处的位置继续喊话，你会听到两次回声合二为一（满足特殊条件的一系列位置），且随着你的走动回声变的忽大忽小。

　　大的回声是由于两路反射的声波产生了正向叠加（干涉），小的回声则是由于两路反射的声波产生了负向的叠加（干涉）。

　　图1

　　光波同声波一样，在更小的尺度上，满足一定条件（布拉格条件）的光波在通过布拉格光纤光栅（FBG）时也会产生多路反射波的正向叠加（干涉）。

　　光纤光栅（FBG）和光纤光栅传感器基本原理之一，波的反射与叠加

　　光纤布拉格光栅（FBG）是光栅栅距（光纤周期）均匀一致的一种光纤光栅，布拉格光栅的反射点之间的距离总是相等的。布拉格光纤光栅（FBG）可以通过紫外光掩模板照射、化学腐蚀、飞秒激光逐点刻写等方式生产，可以是单点光纤光栅，也可以是光纤光栅串（FBGs）。

　　图2

　　通过连接光纤光栅解调仪，可以测定独立反射波的光波波长。一旦布拉格光纤光栅（FBG）遭受应力或温度变化影响，光栅栅距（光栅周期）就会发生变化，反射波的光波波长也会随之改变，并且反射不同的波长，这样布拉格波长变化就可以被测量了。

　　布拉格光纤光栅（FBG）的波长变化量与应变量和温度变化量同时相关，公式如下：ΔλＢ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ。

　　在光纤光栅（FBG）所处的环境中，温度的变化会引起光纤光栅的光栅栅距Λ（光纤周期）发生规律变化，简单来说就是热胀冷缩。

　　图3

　　通过光纤光栅解调仪可以测试出光纤光栅（FBG）的反射光波长λＢ，由于反射光波长λＢ和光纤光栅的光栅栅距Λ具有对应关系，公式为：λＢ＝２ｎｅｆｆΛ，其中ｎｅｆｆ为光纤折射率，因此可以通过了解光纤光栅（FBG）的反射光波长去了解光纤布拉格光栅（FBG）的温度。这就是光栅测温的原理。

　　和前面所讲的温度变化类似，力的变化也会引起光纤光栅（FBG）的光栅栅距Λ（光纤周期）发生规律变化，简单来说就是拉长压短。

　　图4

　　通过光纤光栅解调仪可以测试出光纤光栅的反射光波长λＢ，由于反射光波长λＢ和光纤光栅的光栅栅距Λ具有对应关系，公式为：λＢ＝２ｎｅｆｆΛ，其中ｎｅｆｆ为光纤折射率，因此可以通过了解光纤光栅的反射光波长去了解光纤光栅所受的拉力或压力。这就是光纤光栅能够测应力的原理。

　　图5

　　无论是温度引起的光纤光栅变化还是受力引起的光纤光栅变化，最终表现都是光纤光栅长度的变化（应变），λＢ＝２ｎｅｆｆΛ公式中的Λ所代表的光栅栅距（光纤周期）本身就是光纤光栅在微小尺度上的长度，因此光纤光栅可以用来测应变。

　　布拉格FBG光纤光栅工作原理

　　?

　　光纤光栅（FBG）虽然可以用来测试温度、应力和应变，但由于其天然的脆弱性，必须被封装成光纤光栅传感器（FBG sensor）之后才能使用。

　　图6

　　北京大成永盛科技有限公司创造性地把不锈钢无缝钢管和光纤光栅（FBG）结合起来，生产出了专利的北诺?毛细?系列无缝钢管光纤光栅传感器，包括无缝钢管光纤光栅温度传感器（FBG温度计）、无缝钢管光纤光栅应力传感器（FBG拉力计、FBG压力计）、无缝钢管光纤光栅应变传感器（FBG应变计）。

　　由于有了不锈钢无缝钢管的保护，使得光纤光栅和光纤的强度有了很大提高，拓展了各种光纤光栅传感器的使用环境和适用范围。

　　北诺?毛细?系列无缝钢管光纤光栅传感器的工作原理和布拉格光纤光栅工作原理大同小异。

　　图7

　　图3中间所示即是一根光纤光栅（FBG）或封装好的北诺?毛细?系列无缝钢管光纤光栅传感器（FBG?sensor）：宽带入射光从传感器的一端进入光纤，遇到光纤光栅（FBG）后，大部分波长的光作为透射光直接穿过光纤光栅，少部分特殊波长的光被反射了回去（请注意这个特殊波长，这就是我们每次要检测的对象，我们用λＢ来表示它）。

　　λＢ和我们前面所说的光栅栅距Λ有直接关系，表征其关系的数学表达式为：λＢ＝２ｎｅｆｆΛ，其中λ为反射波长，ｎｅｆｆ是光纤纤芯折射率，Λ是光栅栅距。

　　接下来反射光进入光纤光栅解调仪（图上未标），被解调出波长信号λＢ。由于连着传感设备，因此我们每时每刻都能够得到一个不同的测试波长信号λＢ。

　　通过前面的数学表达式，我们可以知道，为什么在下一刻返回的波长信号λ变化了（变化量表征为ΔλＢ）？根本原因是光纤光栅的光栅栅距Λ发生了变化（变化量表征为ΔΛ）。

　　好了，到此我们已经可以跳出拗口的数学符号，切换回现实环境中想象一下，什么可以引起光栅栅距（光栅周期）Λ发生变化？

　　聪明的你应该可以马上想到：

　　第一个可能原因是受力：你给光纤光栅（FBG）一个拉力，它会变长，你给光纤光栅（FBG）一个压力，它会变短；

　　第二个可能原因是温度：光纤光栅（FBG）受热膨胀，它会变长，光纤光栅（FBG）遇冷收缩，它会变短。

　　在这个过程中，充满了智慧的人们把可以准确检测的波长信号与三个基本物理参量联系了起来，分别是力（拉力压力）、长度（变长变短）和温度（受热遇冷），因此光纤光栅传感器（FBG sensor）能够直接测量的基本物理量就包括了应力、应变和温度。

　　具体产品分别对应于北诺?毛细?无缝钢管光纤光栅应力传感器、北诺?毛细?无缝钢管光纤光栅应变传感器和北诺?毛细?无缝钢管光纤光栅温度传感器）。

　　毛细?光纤光栅传感器基本原理之二，光纤光栅传感原理

　　由于温度和受力均能够引起光纤光栅的波长变化，因此，如果想让光纤光栅温度传感器（FBG温度计）能够准确地进行温度测量，就必须使得封装好的光纤光栅温度传感器（FBG温度计）只受温度变化的影响，不受拉力和压力变化的影响。

　　图8

　　图9

　　北京大成永盛科技有限公司的北诺?毛细?无缝钢管光纤光栅温度传感器（FBG温度计）采用专利的封装技术，使得布拉格光纤光栅温度传感器（FBG温度计）在进行温度测试的时候，光纤光栅（FBG）始终处于自由状态，不受外力的影响，因此能够做到准确测温。

　　光纤光栅温度传感器（FBG温度计）测温准确的原理

　　传统光纤光栅温度传感器（FBG温度计）测温不准确的主要原因在于，传统光纤光栅温度传感器（FBG温度计）不容易做到在测温的同时屏蔽掉力的影响，这是由于其封装方式所决定的。

　　图10

　　在传统的光纤光栅温度传感器（FBG温度计）中，由于使用了太多的不同种材料和胶，使得人们很难屏蔽掉力对于光栅的影响。

　　传统光纤光栅温度传感器（FBG温度计）缺点及受力分析——测温不准确的原因

　　?

　　布拉格光纤光栅（FBG）对力和温度都很敏感，无论光纤光栅是受力了还是环境温度发生变化了，反映到光纤光栅上都是光栅栅距发生了变化，也即光纤光栅传感器发生了相应的应变。

　　这意味着当您想用光纤光栅应力传感器进行准确测试的时候，必须要考虑环境温度是否发生了变化，你必须要从ΔλＢ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ的公式中扣除掉温度对于反射波长的影响，也就是说要让ΔＴ=0（保持环境温度恒定）或者是ΔＴ的数值可知（知道环境温度有多少变化），这个过程被称为光纤光栅应力传感器的温度补偿。

　　图11

　　由于我们已经有了一条北京大成永盛科技有限公司生产的，能够准确测量温度的北诺?毛细?无缝钢管光纤光栅温度传感器（FBG温度计），因此把该测温准确的光纤光栅温度传感器（FBG温度计）和光纤光栅应力传感器（FBG拉力计、FBG压力计）置入到同一环境中，就能够知道ΔＴ的确切值。

　　也因此能够通过公式ΔλＢ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ排除掉温度变化带来的影响，从而使得光纤光栅应力传感器（FBG拉力计、FBG压力计）能够准确测量拉力和压力。

　　光纤光栅应力传感器温度补偿原理与方案

　　?

　　上述光纤光栅应力传感器温度补偿原理同样适用于：

　　光纤光栅应变传感器温度补偿原理，光纤光栅形状传感器温度补偿原理，光纤光栅气体传感器温度补偿原理，光纤光栅倾角传感器温度补偿原理，光纤光栅压力传感器温度补偿原理……。

　　在此不再赘述。

　　?

　　光纤光栅传感技术和光纤传感技术属于被包含的概念，这一点与“光纤光栅传感器和光纤传感器属于被包含的概念”相同。

　　光纤光栅传感技术是光纤传感技术中的一种，光纤光栅传感器也是光纤传感器中的一种。由于光纤光栅传感技术的基本原理我们已在本文讲了不少，在此不再复述。

　　分布式光纤传感器和光纤光栅传感器相同的一点在于，它们都是属于光纤传感器的一种类型。和光纤光栅传感不同，常见的分布式光纤传感是基于光纤内多种散射光强度、频率、相位信息的光纤传感技术，传感单元为光纤。

　　其所测试的物理量除依赖于光纤以外，更多地依赖于调制解调设备和算法，所测得的物理量多为任意一段光纤传感器所处位置的物理量平均值（比如10公里光纤上每1米范围内温度的平均值），其传感的原理大家来看下面这张图：

　　图13

　　同样是光纤传感设备发出的宽带光从左至右进入光纤，由于光纤内固有的杂质所致，光会发生散射。

　　你可以简单地理解为光作为粒子和光纤内的一些固有杂质发生了碰撞，碰撞后形成的粒子弹射地各个方向都是，频率也多了很多，这些光统称为散射光。按照散射光不同的光频率特征区分，这些散射有瑞利散射，拉曼散射和布里渊散射。

　　这些散射光信号通常会和光纤所处环境的位置、温度、应力、应变、振动等物理量有着对应的关系，人们也因此研发了各种设备，通过测量光纤内的以上散射信号变化，对分布式光纤传感器所处环境相关物理量进行测量。

　　分布式光纤传感技术与光纤光栅传感技术在原理上的区别

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