光纤光栅传感器

光纤光栅传感器（Fiber Grating Sensor），又称波长调制型光纤传感器，是光纤传感器的一种，其传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息。

工作原理

光纤光栅传感器的工作原理是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息。它可以通过一定的技术来测定应力和温度变化，从而实现对温度和应力的区分测量。这些技术包括多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。

技术分类

多光纤光栅测量

混合FBG/长周期光栅（LPG）法

此方法解调简单，但难以确保测量的是同一位置，精度约为9×10^-6，1.5℃。

双周期光纤光栅法

该方法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度较低，信号解调较为困难。

光纤光栅/F-P腔集成复用法

该方法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达20×10^-6，1℃，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。

双FBG重叠写入法

该方法精度较高，但光栅写入困难，信号解调也比较复杂。

单光纤光栅测量

聚合物材料封装单光纤光栅法

该方法是利用某些有机化合物对温度和应力的响应差异，增加光纤光栅对温度或应力的灵敏度，以克服交叉敏感效应。虽然制作简单，但选择聚合物材料较为困难。

不同FBG组合法

该方法是将光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的两种光纤的连接处，利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。尽管解调简单，且解调为波长编码避免了应力集中，但仍存在损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。

预制应变法

该方法是先给光纤光栅施加一定预应变，随后将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后，未粘贴部分的光纤光栅形变恢复，其中心反射波长不变；而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复，导致这部分光纤光栅的中心反射波长改变。因此，这个光纤光栅有两个反射峰，一个反射峰对应变和温度都敏感；另一个反射峰只对温度敏感，通过测量这两个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。

应用

自1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来，光纤光栅传感器已在航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域取得成功应用。特别是在土木及水利工程中的结构监测、桥梁安全监测等方面，光纤光栅传感器的应用最为活跃。

土木及水利工程中的应用

土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测非常重要。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。此外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。

在桥梁安全监测中的应用

目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固体系，如结构加固采用的锚索、锚杆也是关键的受力构件。上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况，因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

在混凝土梁应变监测中的应用

1989年，美国Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中，并描述了实际应用中这一研究领域的一些基本设想。此后，美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。

在水位遥测中的应用

在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器专门用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。传感器的精度可以达到±0.1%F·S。光纤安装在传感器内部，由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG，并反射符合布拉格条件的某一波长的光信号。当FBG与弹性膜片或其他设备连接在一起时，水位的变化会拉伸或压缩FBG。而且，反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。那么，根据反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。

在公路健康检测中的应用

公路健康监测的必要性在于交通是与人们息息相关的事情，同样是制约城市发展的主要因素，可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上，其中维护费用占据了很大一部分。即便是这样，每年仍然有大量公路遭到破坏，公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。而破坏一般都是因为汽车超载，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的质量有很大关系。所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。现在的公路一般分三层进行施工，分为底基层、普通层和沥青层，在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况，对公路质量进行实时监控。详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。

特点

1、抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

2、电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。

3、耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料——石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。

4、体积小、重量轻，几何形状可塑。

5、传输损耗小：可实现远距离遥控监测。

6、传输容量大：可实现多点分布式测量。

7、测量范围广：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。

参考资料

光纤光栅传感器原理内容详解.电子发烧友网.2024-08-19

什么是光纤光栅传感器 光纤光栅传感器原理.太平洋科技.2024-08-19

光纤光栅传感器的基本原理.微信公众平台.2024-08-19