光纤光栅和光纤光栅传感器基本原理之二,FBG传感工作原理图、原理公式—测温测力测应变原理

本文以实际的光波为基础讲述了布拉格FBG光纤光栅的基本原理,能够帮助大家理解光纤光栅应力传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器的内在机理。本文为了解北京大成永盛科技有限公司所生产的北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器的前置科普性文章。

在上一篇《光纤光栅和光纤光栅传感器基本原理之一,波的反射与叠加》文章中,我们通过声波来类比光波,给出了大家了解北京大成永盛科技有限公司生产的北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器原理所需的前置知识——波的反射与叠加(干涉)。

今天我们将以此为基础,介绍光纤光栅传感器的基本原理(也包括光纤光栅原理)。本篇文章同样为科普性文章,非科研性文章,如果哪位朋友觉得本文有错误,也请来信指正。

短段北诺®毛细®无缝钢管 光纤光栅传感器(应力/应变/温度)实物图
图1

一、光纤光栅传感器(FBG sensor)中的光纤光栅(FBG)


光纤光栅传感器(FBG Sensor)属于光纤传感器的一种,基于光纤光栅(FBG)的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格光栅(FBG)波长的调制来获取传感信息,是一种波长调制型光纤传感器。

下图图2所示即为一根刻写了布拉格光纤光栅(FBG)的光纤纤芯示意图(真实直径9微米)。人们使用紫外光掩模板照射飞秒激光逐点刻写或者其它的加工方式,在光纤的纤芯部分形成无数条具有相同间距的弱反射面(我们在此暂不介绍更复杂的光栅),这些弱反射面被称为光纤光栅,各个弱反射面之间的距离被称为光栅栅距光栅周期(我们一般用Λ这个符号来表示它——请记住这个符号,下文需要用到)。

布拉格光纤光栅传感示意图

图2

 

二、光纤光栅(FBG)和光纤光栅传感器(FBG sensor)的传感原理图


利用上述光纤光栅就可以进行基本的传感测量,其原理如下图3所示:

北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器波长传输原理图

图3

 

三、光纤光栅(FBG)和光纤光栅传感器(FBG sensor)的原理公式


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):宽带入射光从光栅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(光栅周期)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(光栅周期)。

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。由于连着光纤光栅传感设备,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(光栅周期)Λ发生了变化(变化量表征为ΔΛ)。

 

四、光纤光栅(FBG)和光纤光栅传感器(FBG sensor)能够测量温度、应变、应力的原理

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)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)。

长段北诺®毛细®无缝钢管 光纤光栅温度传感器实物图

图4


当然了,作为一篇介绍北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器的前置科普文章,我们简化了其数学计算,同时考虑了应力、应变、温度的波长变化数学计算过程比我们所列“λB =2neffΛ”的要复杂一些,这是因为,光纤纤芯折射率neff也是一个变量,其总体公式如下:ΔλB =λB(1-Pe)Δε+λB(αf-ξ)ΔT,我们在此不再展开。

行文至此,相信你已经对于光纤光栅和光纤光栅传感器的工作原理有了一定的认识,,也会如我般对于人们的智慧发自内心地赞叹。那么,从原理化的光纤光栅(FBG)到实用化封装好的光纤光栅传感器(FBG sensor),中间还会有什么问题?又该如何解决?我们将在下文讲述,敬请期待!

我们的理念是:“北诺®,让光纤不脆弱!”

声明:本公司系列产品多包含了包括商标和专利在内的多项知识产权,为推动行业发展和技术进步,北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器产品价格适中,鼓励大家正规渠道购买。未经授权,请勿仿制!

附1:

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