FBG技术概述

分类: 博客Blogs 发布日期: 2025-08-29

光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器是一种灵敏度极高且用途广泛的光学器件,可用于测量多种物理参数,例如:应变、温度、压力、振动和位移。自 1995 年第一台商用 FBG 传感器问世以来,该技术发展迅速,如今已广泛应用于各种应用领域。FBG
最简单的形式是利用光敏性,在光纤纤芯中刻录永久周期性折射率调制。基于 FBG 的传感器利用谐振条件,在谐振条件下反射布拉格波长的入射光,布拉格波长定义为:
                                                                                         lambda-b.png
其中 neff 是基模的有效纤芯折射率,Λ 是光栅间距。
如今,FBG 刻写技术可以创建多种类型的反射率分布,从而可以实现具有给定峰值反射率、带宽和旁瓣水平的传感器,通过切趾和啁啾技术调整掺杂水平并调制光栅长度上的振幅和空间间距。此外,在光纤生产阶段“写入”光纤布拉格光栅的可能性可以实现大规模生产,降低成本,也可用于需要大量传感器的大型结构中。此外,使用由紫外激光器或飞秒激光器制造的 II 型、IIA 型和再生 FBG 的先进刻写技术的引入,可以生产用于高温应用的 FBG 传感器。
                                                                            fbg.webp
在基于 FBG 的传感器中,由局部应变或温度等外部效应引起的有效折射率或光栅间距的任何变化都会导致布拉格波长偏移,根据以下公式:
                                                                       delta-lambda-b.png

其中 Δλ  B 是布拉格波长的变化,α 和 ς 是热膨胀和热光系数,pε 是光纤材料的有效光弹常数,ΔT、Δε 是施加的温度和纵向应变变化。对于谐振波长 λ B 1550 nm 范围内的光栅,由于温度和应变变化引起的波长偏移的典型值分别为:11 pm/K 和 1.2 pm/με。
待测参数的相关信息直接编码在波长值中,这一特性与光纤低衰减和传输容量的固有特性相结合,即使传感器和控制单元之间的距离非常长,也可以实现稳定的信号检测。

基于 FBG的传感器的多路复用技术可分为以下几类:

  WDM(波分复用)​​:其中可以使用具有不同标称中心波长的 FBG 在单个光链路中级联多个 FBG 传感器

  TDM(时分复用):其中,可以根据已知信号飞行时间识别沿单条光纤链路的相同标称中心波长处的各个传感器的响应。


对传统传感器系统和基于 FBG 的传感器系统进行比较分析,可以得出以下结论:

  FBG传感器可轻松用于高爆炸性和高电磁辐射环境。

  基于 FBG 的传感器通常侵入性较小,更容易将传感器嵌入到民用和工业复杂结构中。

  由于其多路复用功能,可以轻松实现具有大量传感器的监控系统。

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