光纤光栅温度传感器原理（讲解光纤温度传感器工作原理）

近几十年来，电传感器一直作为测量物理和机械现象的标准设备发挥作用。虽然它们在测试和测量中无处不在，但作为带电设备，它们存在固有的缺陷，如信号传输损耗、易受电磁噪声影响等。这些缺陷将导致电传感器的使用变得非常具有挑战性，甚至完全不适合某些特殊应用。光纤传感器是解决这些应用挑战的绝佳方案，用光束代替电流，用标准光纤代替铜线作为传输介质。

在过去的二十年里，光电子学的发展和光纤通信行业的大量创新极大地降低了价格，提高了光学器件的质量。通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室实验研究阶段扩展到现场实际应用，如建筑结构健康监测应用。

光纤传感器简介

根据基本原理，光纤传感器会改变其传播的光波的一种或几种性质，如强度、相位、偏振态和频率等。根据被测外部环境参数的变化来确定。本征(混合)光纤传感器仅利用光纤作为光波在设备和传感元件之间的传输介质，而本征光纤传感器利用光纤本身作为传感元件。

光纤传感技术的核心是光纤——光波可以在中心传播的细玻璃线。光纤主要由三部分组成:纤芯、包层和缓冲涂层。包层可以将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯，保证光波在纤芯中的传输损耗最低。这个功能的原理是纤芯的折射率高于包层的折射率，这样光波从纤芯传播到包层时就会发生全内反射。最外面的保护层提供保护以防止光纤被外部环境或外力损坏。此外，根据所需的强度和不同的保护程序，可以使用多层保护层。

图1。典型光纤的横截面图

光纤布拉格光栅传感器

光纤布拉格光栅传感器是一种频率最高、范围最广的光纤传感器，可以根据环境温度和/或应变的变化来改变反射光波的波长。光纤布拉格光栅(FBG)通过全息干涉法或相位掩模法将一小块光敏光纤暴露在光强呈周期性分布的光波中。这样，光纤的光学折射率将根据照射光波的强度而永久改变。这种方法引起的光学折射率的周期性变化称为光纤布拉格光栅。

当一束宽光谱光束传输到光纤布拉格光栅时，折射率改变后的每一小块光纤只会反射特定波长的光波，称为布拉格波长，如下式(1)所示。这一特性使得光纤布拉格光栅只反射特定波长的光波，而其他波长的光波则会传播。

式(1)中，λb为布拉格波长，n为光纤芯的有效折射率，λ为光栅之间的间隔长度，称为光栅周期。

图2。光纤布拉格光栅传感器的工作原理

因为布拉格波长是光栅之间的间隔长度(等式(1)中的λ)的函数，所以可以用不同的布拉格波长产生光纤布拉格光栅，从而可以使用不同的光纤布拉格光栅来反射特定波长的光波。

图3。光纤布拉格光栅的透视图

除了应变的变化，光纤布拉格光栅的有效光学折射率N和光栅周期λ也会同时受到影响，导致光栅反射光波波长的变化。光纤布拉格光栅的反射波长随应变和温度的变化可以近似用方程(2)中的关系表示:

其中δ λ为反射波长的变化，λo为初始反射波长。

右边加号前的第一个表达式显示了应变对反射波长的影响。其中pe是应变光学灵敏度系数，ε是受光栅影响的应变。加号后的第二个表达式表示温度变化对波长的影响。其中α λ为热膨胀系数，αn为温度光学敏感系数。α表示温度变化引起的光折射率的影响，而α λ表示相同温度变化引起的光栅周期的变化。

由于正光纤布拉格光栅会同时受到应变和温度变化的影响，因此在计算反射波长的变化时，应分别考虑和分析这两个因素。测量温度时，光纤布拉格光栅必须完全不受应变影响。您可以使用专门为此目的封装的FBG温度传感器，它可以确保封装内光纤布拉格光栅的特性不会与任何外部弯曲、拉伸、挤压或扭曲应变相耦合。在这种情况下，玻璃的热膨胀系数α λ在实际中通常可以忽略不计；因此，温度变化引起的反射波长的变化主要可以由光纤的温度光学灵敏度系数αn来决定。

光纤光栅应变传感器在某种程度上比较复杂，因为温度和应变都会影响传感器的反射波长。为了正确测量，需要补偿测试过程中温度对光纤布拉格光栅的影响。为了实现这种补偿，可以使用与FBG应变传感器具有良好热接触的FBG温度传感器。得到测试结果后，只需用FBG应变传感器测得的波长变化减去FBG温度传感器测得的波长变化，即可从方程(2)中消除加号右侧的第二个表达式，从而补偿应变测试中温度变化带来的影响。

光纤布拉格光栅应变传感器的安装过程与传统的电应变传感器相似，FBG应变传感器有多种不同的类型和安装方法可供选择，包括环氧树脂型、可焊型、螺栓型和嵌入式。

查询方法

由于光纤布拉格光栅可以植入不同的特定反射波长，因此可以用来实现良好的波分复用(WDM)技术。这一特性使得在长距离独立光纤上菊花链连接几个具有特定布拉格波长的不同传感器成为可能。波分复用技术在可用的光学宽光谱中为每个FBG传感器分配特定的波长范围。由于光纤布拉格光栅固有的波长特性，即使在传输过程中由于光纤介质的弯曲和传输导致光强损失和衰减，传感器测量的结果仍然可以保持准确。

每个独立的光纤布拉格光栅传感器的工作波长范围和波长询问器可以查询的总波长范围决定了可以挂在单根光纤上的传感器数量。一般来说，由于应变变化引起的波长变化比温度变化引起的波长变化更明显，所以FBG应变传感器一般被分配5 nm左右的工作波长范围，而FBG温度传感器被分配1 nm左右的工作波长范围。此外，因为公共波长询问器可以提供大约60到80纳米的测试范围，所以附着在光纤上的传感器的数量通常可以在1到80的范围内——当然，这应该基于每个传感器的反射波长的面积在光谱范围内不会重叠的事实(图4)。因此，在选择FBG传感器时，需要仔细选择标称波长和工作波长范围，以确保每个传感器都有自己独立的工作波长区域。

图4。附着在同一根光纤上的每个FBG传感器必须有自己独立的工作波长范围。

一般来说，FBG传感器的工作波长范围为几纳米，因此光学询问器必须能够以几皮米甚至更低的分辨率进行测量，这是一个相当小的数量级。探测FBG传感器有几种方法。干涉仪是一种常用的实验室设备，可以提供相当高分辨率的光谱分析。然而，这些仪器通常非常昂贵、笨重且不够坚固，因此它们不适用于一些涉及各种结构的现场监测应用，例如风扇叶片、桥梁、水管、大坝和其他环境监测。

更稳健的方法是引入电荷耦合器件(CCD)和固定色散单元，这通常指波长位置转换。

在这种方法中，FBG传感器(或一系列FBG传感器)将被广谱光源照亮。这些反射光束将通过色散单元，色散单元将不同波长的反射光束分配到电荷耦合器件表面的不同位置。如下图5所示。

图5。波长位置转换法查询FBG光学传感器

这种方法可以快速同时测量光纤上的所有FBG传感器，但它只能提供非常有限的分辨率和信噪比。例如，如果我们想在80纳米的波长范围内实现1皮米的分辨率，那么我们需要一个8万像素的线阵CCD器件，这比目前市场上最好的线阵CCD器件(截至2010年7月)高10倍以上。此外，由于宽光谱光源的能量分散在很宽的波长范围内，FBG反射光束的能量会很小，有时甚至会给测量带来困难。

目前，最流行的方法是使用可调法布里-珀罗滤波器来产生高能量和快速扫频的激光源，以取代传统的广谱光源。可调谐激光源将能量集中在窄波长范围内，提供高信噪比的高能光源。该架构提供的高光功率使得用一根光纤安装多个光通道成为可能，可以有效降低多通道询问器的成本和系统的复杂性。基于这种可调谐激光器结构的询问器可以在相对宽的波长范围内以窄的光谱带进行扫描。另一方面，光电检测器将与该扫描同步地测量从FBG传感器反射的激光束。当可调谐激光器发射的激光波长与FBG传感器的布拉格波长一致时，光电探测器可以测量相应的响应。当响应发生时，可调谐激光器的波长对应于在FBG传感器处测量的温度和/或应变，如图6所示。

图6。可调激光源法探测FBG光学传感器

这种方法可以达到大约1皮米的精度，这对应于传统FBG传感器的精度，即大约1.2微应变(FBG应变传感器)或大约0.1摄氏度(FBG温度传感器)。因为与其他方法相比，可调激光源方法具有较高的光功率，所以这种询问方法也可以应用于光纤长度较长(超过10公里)的测量应用。

FBG光学传感器的优势

通过用光波代替电流，用标准光纤代替铜线作为传输介质，FBG光学传感解决了电传感应用中的许多挑战和困难。而光纤FBG光学传感器都是具有无源电特性的绝缘体，不受电磁感应噪声的影响。具有高光功率可调激光源的询问器可以以极低的数据丢失率甚至零丢失完成远距离测量。同时，与电传感器系统不同，一个光通道可以同时测试多个FBG传感器，大大降低了测试系统的体积、重量和复杂度。

在一些外部环境恶劣的应用场所，一些常用的电传感器，如箔式应变片、热电偶、振弦式传感器等，已经难以使用甚至失效，光学传感器是非常理想的解决方案。因为光学传感器的使用和安装方法与这些传统的电传感器相似，所以从电测试方案到光测试方案的过渡将相对简单。如果你能更好地了解光纤和FBG的工作原理，将有助于你更好地接受光学测试技术，掌握这项新技术带来的所有优势。