光纖光柵傳感器原理 - FBG溫度應(yīng)變應(yīng)力形狀角度振動(dòng)補(bǔ)償原理 - 基本工作原理詳解
本文通過光纖光柵原理的基礎(chǔ)“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(cè)溫原理，光纖光柵測(cè)應(yīng)力的原理，光纖光柵測(cè)量應(yīng)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(cè)量準(zhǔn)確的原理，引出了使用測(cè)量準(zhǔn)確的FBG溫度計(jì)給光纖光柵應(yīng)力傳感器做溫度補(bǔ)償?shù)脑?/strong>，該原理同時(shí)也適用于光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵形狀傳感器等FBG傳感器的溫度補(bǔ)償。
最后介紹了光纖光柵傳感技術(shù)和分布式光纖傳感技術(shù)在原理上的區(qū)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(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝？光纖光柵傳感器工作原理
四、光纖光柵傳感技術(shù)原理視頻、光纖光柵原理視頻、光纖光柵傳感器原理視頻
五、光纖光柵溫度傳感器測(cè)溫準(zhǔn)確嗎？光纖光柵溫度傳感器準(zhǔn)確測(cè)量的原理（FBG溫度計(jì)）
六、為什么要對(duì)光纖光柵應(yīng)力傳感器傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償？溫度補(bǔ)償原理（FBG拉力計(jì)、FBG壓力計(jì)），準(zhǔn)確測(cè)量的原理
七、為什么要對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償？溫度補(bǔ)償原理（FBG應(yīng)變計(jì)），測(cè)量準(zhǔn)確的原理
八、光纖光柵傳感器，分布式光纖傳感器，光纖傳感器的區(qū)別與聯(lián)系——與分布式光纖傳感技術(shù)在原理上的區(qū)別
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?yàn)椋?strong>光纖光柵傳感器（FBG sensor）最重要的部分就在于能夠被準(zhǔn)確地檢測(cè)出某些特殊波長(zhǎng)的反射波，通過反射波的波長(zhǎng)變化，反映出待測(cè)物理量的變化（典型如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度）。
由于光波頻率很高，波長(zhǎng)很短，如果不是專業(yè)人士，我們?cè)谌粘Ｉ钪胁蝗菀字苯佑^測(cè)到光波的特點(diǎn)，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(zhǎng)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(gè)情景，當(dāng)你對(duì)著兩面墻或者是兩座山大喊的時(shí)候，你能夠聽到兩次或兩次以上的回聲（聲波的反射）；
調(diào)整你所處的位置繼續(xù)喊話，你會(huì)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(dòng)回聲變的忽大忽小。
大的回聲是由于兩路反射的聲波產(chǎn)生了正向疊加（干涉），小的回聲則是由于兩路反射的聲波產(chǎn)生了負(fù)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(shí)也會(huì)產(chǎn)生多路反射波的正向疊加（干涉）。
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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
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(diǎn)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(xué)腐蝕、飛秒激光逐點(diǎn)刻寫等方式生產(chǎn)，可以是單點(diǎn)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(diào)儀，可以測(cè)定獨(dú)立反射波的光波波長(zhǎng)。一旦布拉格光纖光柵（FBG）遭受應(yīng)力或溫度變化影響，光柵柵距（光柵周期）就會(huì)發(fā)生變化，反射波的光波波長(zhǎng)也會(huì)隨之改變，并且反射不同的波長(zhǎng)，這樣布拉格波長(zhǎng)變化就可以被測(cè)量了。
布拉格光纖光柵（FBG）的波長(zhǎng)變化量與應(yīng)變量和溫度變化量同時(shí)相關(guān)，公式如下：ΔλＢ ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ。
1、光纖光柵測(cè)溫原理——光纖光柵溫度傳感器原理（FBG溫度計(jì)）——熱脹冷縮引起的長(zhǎng)度變化
在光纖光柵（FBG）所處的環(huán)境中，溫度的變化會(huì)引起光纖光柵的光柵柵距Λ（光纖周期）發(fā)生規(guī)律變化，簡(jiǎn)單來說就是熱脹冷縮。
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| 圖3 |
通過光纖光柵解調(diào)儀可以測(cè)試出光纖光柵（FBG）的反射光波長(zhǎng)λＢ，由于反射光波長(zhǎng)λＢ和光纖光柵的光柵柵距Λ具有對(duì)應(yīng)關(guān)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(zhǎng)去了解光纖布拉格光柵（FBG）的溫度。這就是光柵測(cè)溫的原理。
2、光纖光柵測(cè)應(yīng)力原理——光纖光柵應(yīng)力傳感器原理（FBG拉力計(jì)、FBG壓力計(jì)、FBG鋼筋計(jì)）——受力引起的長(zhǎng)度變化
和前面所講的溫度變化類似，力的變化也會(huì)引起光纖光柵（FBG）的光柵柵距Λ（光纖周期）發(fā)生規(guī)律變化，簡(jiǎn)單來說就是拉長(zhǎng)壓短。
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| 圖4 |
通過光纖光柵解調(diào)儀可以測(cè)試出光纖光柵的反射光波長(zhǎng)λＢ，由于反射光波長(zhǎng)λＢ和光纖光柵的光柵柵距Λ具有對(duì)應(yīng)關(guān)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(zhǎng)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(cè)應(yīng)力的原理。
3、光纖光柵測(cè)應(yīng)變?cè)怼饫w光柵應(yīng)變傳感器（FBG應(yīng)變計(jì)）——長(zhǎng)度變化本身
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| 圖5 |
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(xiàn)都是光纖光柵長(zhǎng)度的變化（應(yīng)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(zhǎng)度，因此光纖光柵可以用來測(cè)應(yīng)變。
4、擴(kuò)展閱讀：
三、什么是光纖光柵傳感器？為什么要對(duì)光纖光柵進(jìn)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(cè)試溫度、應(yīng)力和應(yīng)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(chuàng)造性地把不銹鋼無縫鋼管和光纖光柵（FBG）結(jié)合起來，生產(chǎn)出了專利的北諾?毛細(xì)?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(jì)）、無縫鋼管光纖光柵應(yīng)力傳感器（FBG拉力計(jì)、FBG壓力計(jì)）、無縫鋼管光纖光柵應(yīng)變傳感器（FBG應(yīng)變計(jì)）。
由于有了不銹鋼無縫鋼管的保護(hù)，使得光纖光柵和光纖的強(qiáng)度有了很大提高，拓展了各種光纖光柵傳感器的使用環(huán)境和適用范圍。
北諾?毛細(xì)?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(xì)?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(jìn)入光纖，遇到光纖光柵（FBG）后，大部分波長(zhǎng)的光作為透射光直接穿過光纖光柵，少部分特殊波長(zhǎng)的光被反射了回去（請(qǐng)注意這個(gè)特殊波長(zhǎng)，這就是我們每次要檢測(cè)的對(duì)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(guān)系，表征其關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ，其中λ為反射波長(zhǎng)，ｎｅｆｆ是光纖纖芯折射率，Λ是光柵柵距。
接下來反射光進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀（圖上未標(biāo)），被解調(diào)出波長(zhǎng)信號(hào)λＢ。由于連著傳感設(shè)備，因此我們每時(shí)每刻都能夠得到一個(gè)不同的測(cè)試波長(zhǎng)信號(hào)λＢ。
通過前面的數(shù)學(xué)表達(dá)式，我們可以知道，為什么在下一刻返回的波長(zhǎng)信號(hào)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(fā)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(cè)量溫度、應(yīng)變、應(yīng)力的原理
好了，到此我們已經(jīng)可以跳出拗口的數(shù)學(xué)符號(hào)，切換回現(xiàn)實(shí)環(huán)境中想象一下，什么可以引起光柵柵距（光柵周期）Λ發(fā)生變化？
聰明的你應(yīng)該可以馬上想到：
第一個(gè)可能原因是受力：你給光纖光柵（FBG）一個(gè)拉力，它會(huì)變長(zhǎng)，你給光纖光柵（FBG）一個(gè)壓力，它會(huì)變短；
第二個(gè)可能原因是溫度：光纖光柵（FBG）受熱膨脹，它會(huì)變長(zhǎng)，光纖光柵（FBG）遇冷收縮，它會(huì)變短。
在這個(gè)過程中，充滿了智慧的人們把可以準(zhǔn)確檢測(cè)的波長(zhǎng)信號(hào)與三個(gè)基本物理參量聯(lián)系了起來，分別是力（拉力壓力）、長(zhǎng)度（變長(zhǎng)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(cè)量的基本物理量就包括了應(yīng)力、應(yīng)變和溫度。
具體產(chǎn)品分別對(duì)應(yīng)于北諾?毛細(xì)?無縫鋼管光纖光柵應(yīng)力傳感器、北諾?毛細(xì)?無縫鋼管光纖光柵應(yīng)變傳感器和北諾?毛細(xì)?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器）。
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四、光纖光柵傳感技術(shù)原理視頻、光纖光柵原理視頻、光纖光柵傳感器原理視頻：
五、光纖光柵溫度傳感器測(cè)溫準(zhǔn)確嗎？光纖光柵溫度傳感器準(zhǔn)確測(cè)量的原理（FBG溫度計(jì)）
1、光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）測(cè)溫準(zhǔn)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(zhǎng)變化，因此，如果想讓光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行溫度測(cè)量，就必須使得封裝好的光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）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(xì)?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）采用專利的封裝技術(shù)，使得布拉格光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）在進(jìn)行溫度測(cè)試的時(shí)候，光纖光柵（FBG）始終處于自由狀態(tài)，不受外力的影響，因此能夠做到準(zhǔn)確測(cè)溫。
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光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）測(cè)溫準(zhǔn)確的原理
3、傳統(tǒng)光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）測(cè)溫不準(zhǔn)確的原理分析
傳統(tǒng)光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）測(cè)溫不準(zhǔn)確的主要原因在于，傳統(tǒng)光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）不容易做到在測(cè)溫的同時(shí)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(tǒng)的光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）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(duì)于光柵的影響。
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傳統(tǒng)光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）缺點(diǎn)及受力分析——測(cè)溫不準(zhǔn)確的原因
六、為什么要對(duì)光纖光柵應(yīng)力傳感器傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償？溫度補(bǔ)償原理（FBG拉力計(jì)、FBG壓力計(jì)），準(zhǔn)確測(cè)量的原理
布拉格光纖光柵（FBG）對(duì)力和溫度都很敏感，無論光纖光柵是受力了還是環(huán)境溫度發(fā)生變化了，反映到光纖光柵上都是光柵柵距發(fā)生了變化，也即光纖光柵傳感器發(fā)生了相應(yīng)的應(yīng)變。
1、光纖光柵應(yīng)力傳感器溫度補(bǔ)償原理
這意味著當(dāng)您想用光纖光柵應(yīng)力傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試的時(shí)候，必須要考慮環(huán)境溫度是否發(fā)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(duì)于反射波長(zhǎng)的影響，也就是說要讓?duì)ぃ?0（保持環(huán)境溫度恒定）或者是ΔＴ的數(shù)值可知（知道環(huán)境溫度有多少變化），這個(gè)過程被稱為光纖光柵應(yīng)力傳感器的溫度補(bǔ)償。
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由于我們已經(jīng)有了一條北京大成永盛科技有限公司生產(chǎn)的，能夠準(zhǔn)確測(cè)量溫度的北諾?毛細(xì)?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)），因此把該測(cè)溫準(zhǔn)確的光纖光柵溫度傳感器（FBG溫度計(jì)）和光纖光柵應(yīng)力傳感器（FBG拉力計(jì)、FBG壓力計(jì)）置入到同一環(huán)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(yīng)力傳感器（FBG拉力計(jì)、FBG壓力計(jì)）能夠準(zhǔn)確測(cè)量拉力和壓力。
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七、為什么要對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償？溫度補(bǔ)償原理（FBG應(yīng)變計(jì)），測(cè)量準(zhǔn)確的原理
上述光纖光柵應(yīng)力傳感器溫度補(bǔ)償原理同樣適用于：
光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償原理，光纖光柵形狀傳感器溫度補(bǔ)償原理，光纖光柵氣體傳感器溫度補(bǔ)償原理，光纖光柵傾角傳感器溫度補(bǔ)償原理，光纖光柵壓力傳感器溫度補(bǔ)償原理……。
在此不再贅述。
八、光纖光柵傳感器，分布式光纖傳感器，光纖傳感器的區(qū)別與聯(lián)系——與分布式光纖傳感技術(shù)在原理上的區(qū)別
光纖光柵傳感技術(shù)和光纖傳感技術(shù)屬于被包含的概念，這一點(diǎn)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(shù)是光纖傳感技術(shù)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(shù)的基本原理我們已在本文講了不少，在此不再?gòu)?fù)述。
1、分布式光纖傳感技術(shù)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(diǎn)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(nèi)多種散射光強(qiáng)度、頻率、相位信息的光纖傳感技術(shù)，傳感單元為光纖。
其所測(cè)試的物理量除依賴于光纖以外，更多地依賴于調(diào)制解調(diào)設(shè)備和算法，所測(cè)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(nèi)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(shè)備發(fā)出的寬帶光從左至右進(jìn)入光纖，由于光纖內(nèi)固有的雜質(zhì)所致，光會(huì)發(fā)生散射。
你可以簡(jiǎn)單地理解為光作為粒子和光纖內(nèi)的一些固有雜質(zhì)發(fā)生了碰撞，碰撞后形成的粒子彈射地各個(gè)方向都是，頻率也多了很多，這些光統(tǒng)稱為散射光。按照散射光不同的光頻率特征區(qū)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(hào)通常會(huì)和光纖所處環(huán)境的位置、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)等物理量有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系，人們也因此研發(fā)了各種設(shè)備，通過測(cè)量光纖內(nèi)的以上散射信號(hào)變化，對(duì)分布式光纖傳感器所處環(huán)境相關(guān)物理量進(jìn)行測(cè)量。
2、擴(kuò)展閱讀：
分布式光纖傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)在原理上的區(qū)別
3、光纖光柵傳感技術(shù)與分布式光纖傳感技術(shù)在原理上區(qū)別的視頻：