光纤传感器（三）：光纤布拉格光栅结构与传感原理

光纤传感器（三）：光纤布拉格光栅结构与传感原理

本文件详细介绍了光纤布拉格光栅（FBG）的结构、工作原理、应变和温度依赖性，以及光纤传感器的典型应用（包括辐射温度计和光强调制型光纤温度传感器）。

核心内容

光纤布拉格光栅的结构与布拉格条件

光纤布拉格光栅是利用紫外激光在光纤纤芯上刻写一段周期性光栅结构。当宽带光射入时，光栅有选择地反射回一个窄带光，其余光继续透射。多个不同中心波长的光栅可形成传感网络。反射中心波长满足布拉格条件：

其中 $n_{\text{ef}}$ 为纤芯有效折射率，$/Lambda$ 为光栅周期。

应变依赖性

FBG 的布拉格波长随应变线性变化：

应变灵敏度系数 $K_{\epsilon }\approx 0.788$，应变系数约为 $1.2/\text{pm}/\mu \epsilon$。

温度依赖性

FBG 的布拉格波长随温度线性变化，温度灵敏度系数约为 $10/\text{pm}{/}^{\circ }\text{C}$。温度变化通过热光效应和热膨胀效应影响有效折射率和光栅周期。

复用性

数百种布拉格光栅可刻写在一根光纤中，相隔数毫米或数千米，实现多点或分布式传感。

光纤温度传感器应用

1. 辐射温度计：利用光纤引导热辐射实现远距离、多点温度测量，适用于真空、放射线、爆炸性气体等特殊环境，测温范围 400~1600°C。
2. 光强调制型光纤温度传感器：利用半导体材料能量带隙随温度升高而减小的特性，通过检测透射光强变化测量温度，测温范围 -100~300°C，响应时间约 2s，精度 ±3°C。