光纖光柵傳感器原理 - FBG溫度應變應力形狀角度振動補償原理 - 基本工作原理詳解
本文通過光纖光柵原理的基礎“光波的反射與干涉”，講述了光纖光柵傳感原理，包括：光纖光柵測溫原理，光纖光柵測應力的原理，光纖光柵測量應變的原理；然后介紹了光纖光柵傳感器的工作原理，并給出了光纖光柵傳感器原理圖。
又介紹了光纖光柵溫度傳感器測量準確的原理，引出了使用測量準確的FBG溫度計給光纖光柵應力傳感器做溫度補償的原理，該原理同時也適用于光纖光柵應變傳感器、光纖光柵形狀傳感器等FBG傳感器的溫度補償。
最后介紹了光纖光柵傳感技術和分布式光纖傳感技術在原理上的區別。
目錄：
一、光波的反射與干涉原理——從聲波的反射與疊加類比光波的反射與疊加
二、什么是光纖光柵？光纖光柵能做什么？光纖光柵原理（FBG光纖布拉格光柵原理）
三、什么是光纖光柵傳感器？為什么要對光纖光柵進行封裝？光纖光柵傳感器工作原理
四、光纖光柵溫度傳感器測溫準確嗎？光纖光柵溫度傳感器準確測量的原理（FBG溫度計）
五、為什么要對光纖光柵應力傳感器傳感器進行溫度補償？溫度補償原理（FBG拉力計、FBG壓力計），準確測量的原理
六、為什么要對光纖光柵應變傳感器進行溫度補償？溫度補償原理（FBG應變計），測量準確的原理
七、光纖光柵傳感器，分布式光纖傳感器，光纖傳感器的區別與聯系——與分布式光纖傳感技術在原理上的區別
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一、光波的反射與干涉原理——從聲波的反射與疊加類比光波的反射與疊加
1、為什么了解光纖光柵（FBG）和光纖光柵傳感器（FBG?sensor）的基本原理之前要理解光波的反射與干涉原理？
在了解光纖光柵的基本原理（FBG）和光纖光柵傳感器的基本原理之前，我們首先需要知道光波的反射和光波的干涉（疊加）。
這是因為，光纖光柵傳感器（FBG?sensor）最重要的部分就在于能夠被準確地檢測出某些特殊波長的反射波，通過反射波的波長變化，反映出待測物理量的變化（典型如應力、應變、溫度）。
由于光波頻率很高，波長很短，如果不是專業人士，我們在日常生活中不容易直接觀測到光波的特點，為了便于大家理解，我在此處使用聲波來類比光波——聲波光波，長波短波，反正都是波。?
2、忽大忽小的回聲展示了聲波的反射與干涉（疊加），光波也具有相同的特性。
在生活中，你很可能遇到過下面這個情景，當你對著兩面墻或者是兩座山大喊的時候，你能夠聽到兩次或兩次以上的回聲（聲波的反射）；
調整你所處的位置繼續喊話，你會聽到兩次回聲合二為一（滿足特殊條件的一系列位置），且隨著你的走動回聲變的忽大忽小。
大的回聲是由于兩路反射的聲波產生了正向疊加（干涉），小的回聲則是由于兩路反射的聲波產生了負向的疊加（干涉）。
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圖1 |
光波同聲波一樣，在更小的尺度上，滿足一定條件（布拉格條件）的光波在通過布拉格光纖光柵（FBG）時也會產生多路反射波的正向疊加（干涉）。
3、擴展閱讀：
光纖光柵（FBG）和光纖光柵傳感器基本原理之一，波的反射與疊加
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二、什么是光纖光柵？光纖光柵能做什么？光纖光柵原理（FBG光纖布拉格光柵原理）
光纖布拉格光柵（FBG）是光柵柵距（光纖周期）均勻一致的一種光纖光柵，布拉格光柵的反射點之間的距離總是相等的。布拉格光纖光柵（FBG）可以通過紫外光掩模板照射、化學腐蝕、飛秒激光逐點刻寫等方式生產，可以是單點光纖光柵，也可以是光纖光柵串（FBGs）。
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圖2 |
通過連接光纖光柵解調儀，可以測定獨立反射波的光波波長。一旦布拉格光纖光柵（FBG）遭受應力或溫度變化影響，光柵柵距（光柵周期）就會發生變化，反射波的光波波長也會隨之改變，并且反射不同的波長，這樣布拉格波長變化就可以被測量了。
布拉格光纖光柵（FBG）的波長變化量與應變量和溫度變化量同時相關，公式如下：ΔλＢ ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ。
1、光纖光柵測溫原理——光纖光柵溫度傳感器原理（FBG溫度計）——熱脹冷縮引起的長度變化
在光纖光柵（FBG）所處的環境中，溫度的變化會引起光纖光柵的光柵柵距Λ（光纖周期）發生規律變化，簡單來說就是熱脹冷縮。
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通過光纖光柵解調儀可以測試出光纖光柵（FBG）的反射光波長λＢ，由于反射光波長λＢ和光纖光柵的光柵柵距Λ具有對應關系，公式為：λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ，其中ｎｅｆｆ為光纖折射率，因此可以通過了解光纖光柵（FBG）的反射光波長去了解光纖布拉格光柵（FBG）的溫度。這就是光柵測溫的原理。
2、光纖光柵測應力原理——光纖光柵應力傳感器原理（FBG拉力計、FBG壓力計、FBG鋼筋計）——受力引起的長度變化
和前面所講的溫度變化類似，力的變化也會引起光纖光柵（FBG）的光柵柵距Λ（光纖周期）發生規律變化，簡單來說就是拉長壓短。
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| 圖4 |
通過光纖光柵解調儀可以測試出光纖光柵的反射光波長λＢ，由于反射光波長λＢ和光纖光柵的光柵柵距Λ具有對應關系，公式為：λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ，其中ｎｅｆｆ為光纖折射率，因此可以通過了解光纖光柵的反射光波長去了解光纖光柵所受的拉力或壓力。這就是光纖光柵能夠測應力的原理。
3、光纖光柵測應變原理——光纖光柵應變傳感器（FBG應變計）——長度變化本身
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無論是溫度引起的光纖光柵變化還是受力引起的光纖光柵變化，最終表現都是光纖光柵長度的變化（應變），λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ公式中的Λ所代表的光柵柵距（光纖周期）本身就是光纖光柵在微小尺度上的長度，因此光纖光柵可以用來測應變。
4、擴展閱讀：
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三、什么是光纖光柵傳感器？為什么要對光纖光柵進行封裝？光纖光柵傳感器工作原理
光纖光柵（FBG）雖然可以用來測試溫度、應力和應變，但由于其天然的脆弱性，必須被封裝成光纖光柵傳感器（FBG sensor）之后才能使用。
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| 圖6 |
北京大成永盛科技有限公司創造性地把不銹鋼無縫鋼管和光纖光柵（FBG）結合起來，生產出了專利的北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器，包括無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）、無縫鋼管光纖光柵應力傳感器（FBG拉力計、FBG壓力計）、無縫鋼管光纖光柵應變傳感器（FBG應變計）。
由于有了不銹鋼無縫鋼管的保護，使得光纖光柵和光纖的強度有了很大提高，拓展了各種光纖光柵傳感器的使用環境和適用范圍。
北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器的工作原理和布拉格光纖光柵工作原理大同小異。
1、光纖光柵原理圖（FBG）和光纖光柵傳感器原理圖（FBG sensor）
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圖7 |
2、光纖光柵原理公式（FBG）和光纖光柵傳感器原理公式（FBG?sensor）
圖3中間所示即是一根光纖光柵（FBG）或封裝好的北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器（FBG?sensor）：寬帶入射光從傳感器的一端進入光纖，遇到光纖光柵（FBG）后，大部分波長的光作為透射光直接穿過光纖光柵，少部分特殊波長的光被反射了回去（請注意這個特殊波長，這就是我們每次要檢測的對象，我們用λＢ來表示它）。
λＢ和我們前面所說的光柵柵距Λ有直接關系，表征其關系的數學表達式為：λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ，其中λ為反射波長，ｎｅｆｆ是光纖纖芯折射率，Λ是光柵柵距。
接下來反射光進入光纖光柵解調儀（圖上未標），被解調出波長信號λＢ。由于連著傳感設備，因此我們每時每刻都能夠得到一個不同的測試波長信號λＢ。
通過前面的數學表達式，我們可以知道，為什么在下一刻返回的波長信號λ變化了（變化量表征為ΔλＢ）？根本原因是光纖光柵的光柵柵距Λ發生了變化（變化量表征為ΔΛ）。
3、光纖光柵（FBG）和光纖光柵傳感器（FBG?sensor）能夠測量溫度、應變、應力的原理
好了，到此我們已經可以跳出拗口的數學符號，切換回現實環境中想象一下，什么可以引起光柵柵距（光柵周期）Λ發生變化？
聰明的你應該可以馬上想到：
第一個可能原因是受力：你給光纖光柵（FBG）一個拉力，它會變長，你給光纖光柵（FBG）一個壓力，它會變短；
第二個可能原因是溫度：光纖光柵（FBG）受熱膨脹，它會變長，光纖光柵（FBG）遇冷收縮，它會變短。
在這個過程中，充滿了智慧的人們把可以準確檢測的波長信號與三個基本物理參量聯系了起來，分別是力（拉力壓力）、長度（變長變短）和溫度（受熱遇冷），因此光纖光柵傳感器（FBG sensor）能夠直接測量的基本物理量就包括了應力、應變和溫度。
具體產品分別對應于北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵應力傳感器、北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵應變傳感器和北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器）。
4、擴展閱讀：
5、光纖光柵傳感器原理視頻（光纖光柵原理視頻）：
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四、光纖光柵溫度傳感器測溫準確嗎？光纖光柵溫度傳感器準確測量的原理（FBG溫度計）
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1、光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）測溫準確的原理分析
由于溫度和受力均能夠引起光纖光柵的波長變化，因此，如果想讓光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）能夠準確地進行溫度測量，就必須使得封裝好的光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）只受溫度變化的影響，不受拉力和壓力變化的影響。
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| 圖8 | 圖9 |
北京大成永盛科技有限公司的北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）采用專利的封裝技術，使得布拉格光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）在進行溫度測試的時候，光纖光柵（FBG）始終處于自由狀態，不受外力的影響，因此能夠做到準確測溫。
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3、傳統光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）測溫不準確的原理分析
傳統光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）測溫不準確的主要原因在于，傳統光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）不容易做到在測溫的同時屏蔽掉力的影響，這是由于其封裝方式所決定的。
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圖10 |
在傳統的光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）中，由于使用了太多的不同種材料和膠，使得人們很難屏蔽掉力對于光柵的影響。
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傳統光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）缺點及受力分析——測溫不準確的原因
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五、為什么要對光纖光柵應力傳感器傳感器進行溫度補償？溫度補償原理（FBG拉力計、FBG壓力計），準確測量的原理
布拉格光纖光柵（FBG）對力和溫度都很敏感，無論光纖光柵是受力了還是環境溫度發生變化了，反映到光纖光柵上都是光柵柵距發生了變化，也即光纖光柵傳感器發生了相應的應變。
1、光纖光柵應力傳感器溫度補償原理
這意味著當您想用光纖光柵應力傳感器進行準確測試的時候，必須要考慮環境溫度是否發生了變化，你必須要從ΔλＢ ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ的公式中扣除掉溫度對于反射波長的影響，也就是說要讓ΔＴ=0（保持環境溫度恒定）或者是ΔＴ的數值可知（知道環境溫度有多少變化），這個過程被稱為光纖光柵應力傳感器的溫度補償。
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圖11 |
由于我們已經有了一條北京大成永盛科技有限公司生產的，能夠準確測量溫度的北諾?毛細?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計），因此把該測溫準確的光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計）和光纖光柵應力傳感器（FBG拉力計、FBG壓力計）置入到同一環境中，就能夠知道ΔＴ的確切值。
也因此能夠通過公式ΔλＢ ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ排除掉溫度變化帶來的影響，從而使得光纖光柵應力傳感器（FBG拉力計、FBG壓力計）能夠準確測量拉力和壓力。
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六、為什么要對光纖光柵應變傳感器進行溫度補償？溫度補償原理（FBG應變計），測量準確的原理
上述光纖光柵應力傳感器溫度補償原理同樣適用于：
光纖光柵應變傳感器溫度補償原理，光纖光柵形狀傳感器溫度補償原理，光纖光柵氣體傳感器溫度補償原理，光纖光柵傾角傳感器溫度補償原理，光纖光柵壓力傳感器溫度補償原理……。
在此不再贅述。
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七、光纖光柵傳感器，分布式光纖傳感器，光纖傳感器的區別與聯系——與分布式光纖傳感技術在原理上的區別
光纖光柵傳感技術和光纖傳感技術屬于被包含的概念，這一點與“光纖光柵傳感器和光纖傳感器屬于被包含的概念”相同。
光纖光柵傳感技術是光纖傳感技術中的一種，光纖光柵傳感器也是光纖傳感器中的一種。由于光纖光柵傳感技術的基本原理我們已在本文講了不少，在此不再復述。
1、分布式光纖傳感技術原理及原理圖
分布式光纖傳感器和光纖光柵傳感器相同的一點在于，它們都是屬于光纖傳感器的一種類型。和光纖光柵傳感不同，常見的分布式光纖傳感是基于光纖內多種散射光強度、頻率、相位信息的光纖傳感技術，傳感單元為光纖。
其所測試的物理量除依賴于光纖以外，更多地依賴于調制解調設備和算法，所測得的物理量多為任意一段光纖傳感器所處位置的物理量平均值（比如10公里光纖上每1米范圍內溫度的平均值），其傳感的原理大家來看下面這張圖：
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圖13 |
同樣是光纖傳感設備發出的寬帶光從左至右進入光纖，由于光纖內固有的雜質所致，光會發生散射。
你可以簡單地理解為光作為粒子和光纖內的一些固有雜質發生了碰撞，碰撞后形成的粒子彈射地各個方向都是，頻率也多了很多，這些光統稱為散射光。按照散射光不同的光頻率特征區分，這些散射有瑞利散射，拉曼散射和布里淵散射。
這些散射光信號通常會和光纖所處環境的位置、溫度、應力、應變、振動等物理量有著對應的關系，人們也因此研發了各種設備，通過測量光纖內的以上散射信號變化，對分布式光纖傳感器所處環境相關物理量進行測量。
2、擴展閱讀：
3、光纖光柵傳感技術與分布式光纖傳感技術在原理上區別的視頻：
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