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布拉格光柵技術(shù) 35 個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題解答（一）

基于布拉格光柵（FBG）的光纖傳感器正變得越來(lái)越受歡迎。它們易于安裝，免受電磁干擾，可用于可能爆炸的環(huán)境。但是布拉格光柵如何工作？

我們的專家整理了 35個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，并給出了精準(zhǔn)回答：

布拉格光柵如何工作?

布拉格光柵是波長(zhǎng)非常小的的光纖，其包括多個(gè)可反射特定波長(zhǎng)反射點(diǎn)。光柵結(jié)構(gòu)可以通過(guò)強(qiáng)烈 UV光對(duì)光纖芯影響產(chǎn)生。

布拉格光柵的反射點(diǎn)之間的距離總是相等的。精確匹配兩個(gè)反射點(diǎn)距離的波長(zhǎng)由光柵反射，而其他波長(zhǎng)不被反射或被阻止。布拉格光柵傳感器信號(hào)是每個(gè)光柵反射產(chǎn)生的窄光譜。

解調(diào)儀可以測(cè)定獨(dú)立反射峰的波長(zhǎng)。一旦布拉格光柵遭受應(yīng)力變化，反射點(diǎn)距離將會(huì)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。類似于電阻應(yīng)變片, 應(yīng)用中包括:

λ    布拉格光柵的基本波長(zhǎng)（測(cè)量開(kāi)始時(shí)的波長(zhǎng)）

Δλ  施加到光柵的應(yīng)變產(chǎn)生的波長(zhǎng)變化

k     k 系數(shù)

ε    應(yīng)變

如何測(cè)量應(yīng)變？

通過(guò)布拉格光柵傳感器，光柵解調(diào)儀測(cè)定的是窄光譜的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)變導(dǎo)致光柵傳感器波長(zhǎng)變化時(shí)，解調(diào)儀測(cè)定的波長(zhǎng)峰值與應(yīng)變成正比。其中應(yīng)變系數(shù)或傳感器靈敏度被用作比例系數(shù)。

HBM FiberSensing 解調(diào)儀帶有圖形化用戶界面和強(qiáng)大的采集和數(shù)據(jù)分析軟件，例如 catman®.

應(yīng)變測(cè)量對(duì)溫度是否敏感？

光纖布拉格光柵對(duì)應(yīng)變和溫度都很敏感。這意味著經(jīng)受應(yīng)變和溫度的傳感器的應(yīng)變測(cè)量也受溫度變化的影響。但這種效應(yīng)是很好的特點(diǎn)并容易補(bǔ)償。有幾種方法可以補(bǔ)償這種影響：

• 采用另外一個(gè)光柵傳感器在相同溫度變化下只進(jìn)行溫度測(cè)量

• 采用另外一個(gè)光柵傳感器作為樣件 (安裝在相同材料上，但不施加應(yīng)變);

• 采用另外光柵傳感器確保施加的應(yīng)變相同, 但帶有不同信號(hào) (例如一個(gè)在懸臂頂部，一個(gè)在底部);

• 采用一個(gè)裸布拉格光柵，不固定且不帶有端子;

• 采用無(wú)熱應(yīng)變傳感器以補(bǔ)償應(yīng)變測(cè)量中的不期望的溫度效應(yīng);

• 其他…

什么是溫度補(bǔ)償，如何工作?

1) 布拉格光柵（FBG）應(yīng)變依賴性

布拉格光柵的應(yīng)變依賴性由下式給出：

這里:

   k– 布拉格光柵的 k 系數(shù)

2} 布拉格光柵（FBG）溫度依賴性

布拉格光柵的溫度依賴性由下式給出：

這里:

    – 光纖的熱膨脹系數(shù)

   ζ –  熱光系數(shù)（折射率對(duì)溫度的依賴性）

3) 固定布拉格光柵（FBG）的溫度依賴性

如果光纖應(yīng)變儀被固定到剛性無(wú)應(yīng)變結(jié)構(gòu)，溫度可以改變光纖的折射率，但是其膨脹由結(jié)構(gòu)固定。這等同于考慮固定光纖的熱膨脹= 0。光纖布拉格光柵測(cè)量應(yīng)變的溫度依賴性為：

當(dāng)測(cè)量應(yīng)變時(shí)，該溫度引起的波長(zhǎng)變化與應(yīng)變混淆。實(shí)際由溫度引起的測(cè)量應(yīng)變?yōu)?/span>

因此，對(duì)溫度的交叉敏感性（TCS）由下式給出：

有效應(yīng)變應(yīng)該由應(yīng)變傳感器測(cè)量的應(yīng)變減去溫度的影響：

 這種變形的校正沒(méi)有考慮溫度對(duì)固定傳感器結(jié)構(gòu)變形的影響。

固定在結(jié)構(gòu)上的布拉格光柵（FBG）的溫度依賴性

為了補(bǔ)償由于溫度效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)的變形，計(jì)算應(yīng)當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)（CTE）來(lái)進(jìn)行。

結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變變化為：

固定到承受負(fù)載和溫度的結(jié)構(gòu)的傳感器的波長(zhǎng)變化由下式給出：

這意味著為了補(bǔ)償由于溫度效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)的變形，有必要知道傳感器固定在其上的結(jié)構(gòu)的材料的CTE值。

在應(yīng)力和溫度雙重影響的情況下，是否可能僅測(cè)量應(yīng)力？還是溫度效應(yīng)？

為了僅測(cè)量應(yīng)力，需要補(bǔ)償溫度的影響。 有幾種方法，其中包括使用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)或使用額外的布拉格光柵（FBG）傳感器。

例如通過(guò)裸光纖，或是光纖補(bǔ)償傳感器 OTC 或是 FS63 光纖溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn) 

我能用布拉格光柵傳感器測(cè)量薄片的彎曲應(yīng)變嗎？

相比傳統(tǒng)應(yīng)變片，布拉格光柵傳感器具有更大厚度，在測(cè)量彎曲應(yīng)變時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，但可以通過(guò)一項(xiàng)方式補(bǔ)償:

εOF  部件的表面應(yīng)變

εAnz  通過(guò)光纖測(cè)量的應(yīng)變

h    部件的厚度

d    部件表面到光纖的距離

另外，光纖具有更小的彎曲半徑。HBM OP Line 傳感器具有彎曲表面的應(yīng)變測(cè)量能力，考慮的距離 d=0.5 mm.

FS Line 傳感器的標(biāo)準(zhǔn)布拉格波長(zhǎng)距離為6.4nm，OP Line傳感器的標(biāo)準(zhǔn)布拉格波長(zhǎng)距離為5nm，有什么具體原因？

布拉格波長(zhǎng)是布拉格光柵生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行的定義。 為了簡(jiǎn)化生產(chǎn)，定義了標(biāo)準(zhǔn)值。

由于歷史原因?qū)е?FS Line 和 OP Line 波長(zhǎng)不同。

實(shí)際上，可在 1500 nm 和 1600 nm 波長(zhǎng)之間進(jìn)行定制。

在惡劣的環(huán)境下，F(xiàn)BG技術(shù)可以應(yīng)用于哪里？

HBM FiberSensing 光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)已經(jīng)成功部署的惡劣環(huán)境包括：高溫，高輻射，高真空，高壓和低溫環(huán)境。

例如以下應(yīng)用:

• 大功率發(fā)電機(jī)的振動(dòng)和溫度監(jiān)測(cè);

• 電力變壓器熱點(diǎn)監(jiān)測(cè);

• 風(fēng)力葉片監(jiān)控;飛機(jī)燃料箱中的應(yīng)力監(jiān)測(cè);

• 熱核反應(yīng)堆中的應(yīng)變，溫度和位移監(jiān)測(cè);

• 航天器監(jiān)控等

光纖可以實(shí)現(xiàn)的最大傳輸距離是多少？

光纖中的距離衰減非常小。 結(jié)合HBM FiberSensing光學(xué)解調(diào)儀，光纖長(zhǎng)度可以達(dá)到幾十公里。

什么是光纖傳感器的壓力效應(yīng)

當(dāng)光柵經(jīng)受壓力時(shí)，反射峰上存在波長(zhǎng)偏移。 波長(zhǎng)變化約為：

然而，與由應(yīng)變或溫度變化引起的波長(zhǎng)變化相比，這種效應(yīng)非常小，因此通常被忽略。

在遭受壓力，光纖傳感器經(jīng)受點(diǎn)橫向負(fù)載時(shí)，會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象。 這意味著將出現(xiàn)新的峰（兩個(gè)峰將同時(shí)共存），并且其偏移也可以被量化。