FBG布拉格光纤光栅概念及原理—工作原理、测温测力测应变原理—封装原理

本文介绍了什么是布拉格光纤光栅(光纤布拉格光栅-FBG),以及布拉格光纤光栅是如何工作的,通过布拉格条件公式解释了光纤光栅原理,并给出了相应光纤光栅实物图

同时介绍了北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器大多也是采用光纤布拉格光栅(FBG)制成的:包括光纤光栅温度传感器——温度计、光纤光栅应变传感器——应变计、光纤光栅应力传感器——拉力计等产品。

一、什么是光栅?

由大量间距规律变化的平行狭缝构成的光学器件被称为光栅,其中最常见的是平行狭缝间距宽度相同的等间距光栅(grating)。

等间距光栅示意图

图1

常用的等间距光栅大多数被刻写在玻璃片、金属板、塑料板上,刻痕可以是不透光的,也可以是部分透光的。但是两刻痕之间的光滑部分一般都是可以透光的。

精制的光栅,在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕,由于光栅栅距(光栅周期)与光波波长接近,因此其衍射光或者是透射光会产生光波的干涉现象。

其中利用透射光衍射的光栅称为透射光栅,还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅,如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕,两刻痕间的光滑金属面可以反射光,这种光栅称为反射光栅。 

二、什么是光纤光栅?什么是布拉格光纤光栅(光纤布拉格光栅FBG)

把上述大量间距规律变化的平行狭缝利用光纤材料的光敏性刻写到光纤纤芯上,就构成了光纤光栅

其中光栅栅距(光栅周期)均匀一致的光纤光栅(FBG)被称为布拉格光栅,布拉格光栅的反射波长非常小,布拉格光纤光栅的反射点之间的距离总是相等的。光栅包括了无数个可反射特定波长反射点。

布拉格光纤光栅可以通过紫外光掩模板照射法、化学腐蚀法、飞秒激光逐点写入法等方式生产。下面是其结构示意图和实物图:

北诺®毛细®系列无缝钢管 光纤光栅传感器用光纤光栅示意图

图2

布拉格光纤光栅实物图(FBG光纤布拉格光栅实物图)

图3

飞秒激光逐点刻写的光纤光栅实物图(Femtosecond FBG-飞秒光纤光栅)

图4

 

三、什么是光纤光栅串?

光纤光栅(FBG)使用灵活的一个表现就是可以实现多点传感,理论上我们可以在一根传感器里刻写无数个不同波长的光纤光栅(FBG),实现对同一或多个物理参量的分布式检测,刻写了多个光纤光栅的光纤被我们称为光纤光栅串(FBGs)(产品对应为北诺®毛细®准分布式光纤光栅传感器)。

具体例子详见下图5,该图所示光纤刻写了9个不同波长的光纤光栅串(FBGs),能够实现9个点的同时测量。

光纤光栅串示意图
图5
北诺®毛细®系列无缝钢管 光纤光栅传感器所用 光纤光栅串实物图(准分布式光纤光栅串实物)

图6

北诺®毛细®系列无缝钢管 光纤光栅传感器所用 光纤光栅串波长实测图(准分布式光纤光栅传感器实测)

图7

(上图显示了一条刻写了8个不同波长的光纤光栅串(FBGs)在光频谱仪上的波长分布)

 

四、光纤光栅原理(FBG光纤光栅传感原理)


通过精准匹配两个反射点距离,符合布拉格条件的光波信号被光栅反射,而其它波长信号基本不被反射。

北诺®毛细®系列无缝钢管 光纤光栅传感器原理示意图

图8


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。一旦光纤布拉格光栅遭受应力或温度变化影响,光栅栅距就会发生变化,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。

1、光纤光栅测温原理——光纤光栅温度传感器原理(FBG温度计)——热胀冷缩引起的长度变化

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。

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。

2、光纤光栅测应力原理——光纤光栅应力传感器原理(FBG拉力计、FBG压力计、FBG钢筋计)——受力引起的长度变化

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。


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。

3、光纤光栅测应变原理——光纤光栅应变传感器(FBG应变计)——长度变化本身

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。

五、为什么要对光纤光栅进行封装(FBG)

北京大成永盛科技有限公司的北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器的传感单元大多是布拉格光纤光栅(FBG),保护材料为无缝钢管。

我们采用无缝钢管封装光纤光栅(FBG)的主要原因在于,光纤布拉格光栅(FBG)非常脆弱,承载光纤光栅(FBG)的光纤也很脆弱,未进行封装保护的光栅几乎无法在实际工作中进行使用。必须要对光纤光栅进行保护,制成结实的光纤光栅传感器才能在各种复杂环境中使用。而这也正是我们所擅长的。

长距离北诺®毛细®无缝钢管 光纤光栅温度传感器实物图

图9

短距离北诺®毛细®无缝钢管 光纤光栅温度传感器实物图

图10

 
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价格适中,鼓励大家正规渠道购买。未经授权,请勿仿制!