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北京大成永盛科技有限公司是專業的光纖光柵傳感器廠家,提供光纖光柵原理、光纖光柵傳感器測溫原理、測應力原理、應變原理、溫度補償原理以及專利的無縫鋼管封裝原理;光纖光柵傳感器品牌為“北諾、OFSCN、毛細、PEINO”等。

本文以實際的光波為基礎講述了布拉格FBG光纖光柵的基本原理,能夠幫助大家理解光纖光柵應力傳感器、光纖光柵應變傳感器、光纖光柵溫度傳感器的內在機理。本文為了解北京大成永盛科技有限公司所生產的北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器的前置科普性文章。

在上一篇《光纖光柵和光纖光柵傳感器基本原理之一,波的反射與疊加》文章中,我們通過聲波來類比光波,給出了大家了解北京大成永盛科技有限公司生產的北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器原理所需的前置知識——波的反射與疊加(干涉)。

今天我們將以此為基礎,介紹光纖光柵傳感器的基本原理(也包括光纖光柵原理)。本篇文章同樣為科普性文章,非科研性文章,如果哪位朋友覺得本文有錯誤,也請來信指正。

短段北諾?毛細?無縫鋼管 光纖光柵傳感器(應力/應變/溫度)實物圖
圖1

一、光纖光柵傳感器(FBG?sensor)中的光纖光柵(FBG)


光纖光柵傳感器(FBG Sensor)屬于光纖傳感器的一種,基于光纖光柵(FBG)的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格光柵(FBG)波長的調制來獲取傳感信息,是一種波長調制型光纖傳感器。

下圖圖2所示即為一根刻寫了布拉格光纖光柵(FBG)的光纖纖芯示意圖(真實直徑9微米)。人們使用紫外光掩模板照射、飛秒激光逐點刻寫或者其它的加工方式,在光纖的纖芯部分形成無數條具有相同間距的弱反射面(我們在此暫不介紹更復雜的光柵),這些弱反射面被稱為光纖光柵,各個弱反射面之間的距離被稱為光柵柵距光柵周期(我們一般用Λ這個符號來表示它——請記住這個符號,下文需要用到)。

布拉格光纖光柵傳感示意圖

圖2

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二、光纖光柵(FBG)和光纖光柵傳感器(FBG?sensor)的傳感原理圖


利用上述光纖光柵就可以進行基本的傳感測量,其原理如下圖3所示:

北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器波長傳輸原理圖

圖3

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三、光纖光柵(FBG)和光纖光柵傳感器(FBG?sensor)的原理公式


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):寬帶入射光從光柵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(光柵周期)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(光柵周期)。

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。由于連著光纖光柵傳感設備,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(光柵周期)Λ發生了變化(變化量表征為ΔΛ)。

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四、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)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)。

長段北諾?毛細?無縫鋼管 光纖光柵溫度傳感器實物圖

圖4


當然了,作為一篇介紹北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器的前置科普文章,我們簡化了其數學計算,同時考慮了應力、應變、溫度的波長變化數學計算過程比我們所列“λB =2neffΛ”的要復雜一些,這是因為,光纖纖芯折射率neff也是一個變量,其總體公式如下:ΔλB =λB(1-Pe)Δε+λB(αf-ξ)ΔT,我們在此不再展開。

行文至此,相信你已經對于光纖光柵和光纖光柵傳感器的工作原理有了一定的認識,,也會如我般對于人們的智慧發自內心地贊嘆。那么,從原理化的光纖光柵(FBG)到實用化封裝好的光纖光柵傳感器(FBG sensor),中間還會有什么問題?又該如何解決?我們將在下文講述,敬請期待!

我們的理念是:“北諾?,讓光纖不脆弱!”

聲明:本公司系列產品多包含了包括商標和專利在內的多項知識產權,為推動行業發展和技術進步,北諾?毛細?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器產品價格適中,鼓勵大家正規渠道購買。未經授權,請勿仿制!

附1:

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