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布拉格光柵技術 35 個常見問題解答（一）

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

我們的專家整理了 35個常見問題，并給出了精準回答：

布拉格光柵如何工作?

布拉格光柵是波長非常小的的光纖，其包括多個可反射特定波長反射點。光柵結構可以通過強烈 UV光對光纖芯影響產生。

布拉格光柵的反射點之間的距離總是相等的。精確匹配兩個反射點距離的波長由光柵反射，而其他波長不被反射或被阻止。布拉格光柵傳感器信號是每個光柵反射產生的窄光譜。

解調儀可以測定獨立反射峰的波長。一旦布拉格光柵遭受應力變化，反射點距離將會改變，并且反射不同的波長。這樣布拉格波長變化就可以被測量。類似于電阻應變片, 應用中包括:

λ    布拉格光柵的基本波長（測量開始時的波長）

Δλ  施加到光柵的應變產生的波長變化

k     k 系數

ε    應變

如何測量應變？

通過布拉格光柵傳感器，光柵解調儀測定的是窄光譜的峰值波長。當應變導致光柵傳感器波長變化時，解調儀測定的波長峰值與應變成正比。其中應變系數或傳感器靈敏度被用作比例系數。

HBM FiberSensing 解調儀帶有圖形化用戶界面和強大的采集和數據分析軟件，例如 catman®.

應變測量對溫度是否敏感？

光纖布拉格光柵對應變和溫度都很敏感。這意味著經受應變和溫度的傳感器的應變測量也受溫度變化的影響。但這種效應是很好的特點并容易補償。有幾種方法可以補償這種影響：

• 采用另外一個光柵傳感器在相同溫度變化下只進行溫度測量

• 采用另外一個光柵傳感器作為樣件 (安裝在相同材料上，但不施加應變);

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

• 采用一個裸布拉格光柵，不固定且不帶有端子;

• 采用無熱應變傳感器以補償應變測量中的不期望的溫度效應;

• 其他…

什么是溫度補償，如何工作?

1) 布拉格光柵（FBG）應變依賴性

布拉格光柵的應變依賴性由下式給出：

這里:

   k– 布拉格光柵的 k 系數

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

   ζ –  熱光系數（折射率對溫度的依賴性）

3) 固定布拉格光柵（FBG）的溫度依賴性

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

當測量應變時，該溫度引起的波長變化與應變混淆。實際由溫度引起的測量應變為

因此，對溫度的交叉敏感性（TCS）由下式給出：

有效應變應該由應變傳感器測量的應變減去溫度的影響：

 這種變形的校正沒有考慮溫度對固定傳感器結構變形的影響。

固定在結構上的布拉格光柵（FBG）的溫度依賴性

為了補償由于溫度效應引起的結構的變形，計算應當考慮結構的熱膨脹系數（CTE）來進行。

結構的總應變變化為：

固定到承受負載和溫度的結構的傳感器的波長變化由下式給出：

這意味著為了補償由于溫度效應引起的結構的變形，有必要知道傳感器固定在其上的結構的材料的CTE值。

在應力和溫度雙重影響的情況下，是否可能僅測量應力？還是溫度效應？

為了僅測量應力，需要補償溫度的影響。 有幾種方法，其中包括使用特殊的機械結構或使用額外的布拉格光柵（FBG）傳感器。

例如通過裸光纖，或是光纖補償傳感器 OTC 或是 FS63 光纖溫度傳感器來實現 

我能用布拉格光柵傳感器測量薄片的彎曲應變嗎？

相比傳統應變片，布拉格光柵傳感器具有更大厚度，在測量彎曲應變時，不可避免地會產生較大的誤差，但可以通過一項方式補償:

εOF  部件的表面應變

εAnz  通過光纖測量的應變

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變測量能力，考慮的距離 d=0.5 mm.

FS Line 傳感器的標準布拉格波長距離為6.4nm，OP Line傳感器的標準布拉格波長距離為5nm，有什么具體原因？

布拉格波長是布拉格光柵生產時進行的定義。 為了簡化生產，定義了標準值。

由于歷史原因導致 FS Line 和 OP Line 波長不同。

實際上，可在 1500 nm 和 1600 nm 波長之間進行定制。

在惡劣的環境下，FBG技術可以應用于哪里？

HBM FiberSensing 光學系統現已經成功部署的惡劣環境包括：高溫，高輻射，高真空，高壓和低溫環境。

例如以下應用:

• 大功率發電機的振動和溫度監測;

• 電力變壓器熱點監測;

• 風力葉片監控;飛機燃料箱中的應力監測;

• 熱核反應堆中的應變，溫度和位移監測;

• 航天器監控等

光纖可以實現的最大傳輸距離是多少？

光纖中的距離衰減非常小。 結合HBM FiberSensing光學解調儀，光纖長度可以達到幾十公里。

什么是光纖傳感器的壓力效應

當光柵經受壓力時，反射峰上存在波長偏移。 波長變化約為：

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

在遭受壓力，光纖傳感器經受點橫向負載時，會發生雙折射現象。 這意味著將出現新的峰（兩個峰將同時共存），并且其偏移也可以被量化。