光纤Bragg 感测器(FBG)的原理，应用，前沿和展望 白皮书
光纤Bragg 感测器(FBG)的原理，应用，前沿和展望 白皮书
Xin Gong*
FemtoFiberTec GmbH, Ernst-Lau-Stra?e 8, 12489 Berlin, Germany
wechatID: XGBerlin
摘要
本文以极简方式介绍光纤Bragg 光栅(FBG)技术的原理，应用，前沿现状，并展望未来.
前言
FBG 的应用在于多点温度和应变测量，其主要替代1 工业上常见的单点PT 和热电偶做分散式
测温， 替代2 电子应变片做分散式测量应力,应变。光纤感测器相对于以上电学感测器的主要
优势是1 轻小串列复用，适于狭小空间可共形布置，减少布线和运维成本，2 光学感测不受电
磁场干扰，本征安全不产生电火花，适于特殊环境使用。但光纤感测器系统成本相对较高。
原理
FBG 是制造在光纤纤芯上的周期性微结构光学滤波器，FBG 反射纤芯里的特定波长(称为Bragg波长)的传输光。当FBG 区域的温度和应力状态改变，则Bragg 波长实时相应改变。FBG 的温度测量精度可达0.1K，应变测量精度可达1 微应变。取样速率从几Hz 到几kHz。一条光纤上可以制造多达几十个FBG，各自以其Bragg 波长作为标志独立工作，构成串列感测器，即一根光纤完成信号发送，感测，信号读取，布线和维护简洁，适于空间受限的多点温度和应变测量。
现状和应用
FBG 最早由NASA 应用到航空结构的应变测量。2000 年前后进入成熟应用阶段，现在主要的应用是基础设施的结构健康监测，比如桥梁，隧道的变形和沉降监测。风机的载荷测量结冰测
量。锂电和燃料电池的状态和安全监测。
一些特殊特种场合，如高温（高温锅炉，循环流化床，冶金，汽车发动机控制和排放），高压
（化学反应器），核辐射，腐蚀性环境（油气，航发，燃机，汽机，煤液化装置）对FBG 的可
靠性提出更高的要求，微创医疗和手术机器人需要密集FBG 阵列作为体内压力感测器，温度传
感器。针对以上市场新兴需求，FemtoFiberTec 公司应用飞秒激光以独有的逐点方式透过涂敷层方式制造FBG，耐温至1000C，远高于常规紫外掩模板法制造的FBG(250C)，对光纤适应性更强，制造的FBG 的波长不受昂贵的掩模版限制，不损害光纤涂复层，抗拉强度更高。此外，此技术在专利基础上实现了卷对卷全自动制造，大规模制造的性价比和可互换性更优，相邻FBG 的头尾距短至毫米。此方法也可以写入-45 到-35dB 的全同波长弱反射光栅，用于OTDR干涉信号增强。或者45 到-35dB 的非全同波长弱反光栅，用于时分波分OTDR-FBG混合技术.
展望
FBG 感测器未来的可能发展方向
1 解决FBG 自身的交叉敏感性问题。
2 扩展应用范围，尤其是低于-50C 的低温度测量，线性度问题，高于500C 温度测量。更大温
度范围内的应变测量。
3 植入复材的FBG 实现复材全寿命健康监测，可直接焊接在金属(铁系，铝，钛)表面的FBG，
复合式光纤感测（压电FBG，磁致伸缩FBG, 化学和气体感测FBG）
4 解调仪的按行业细分化，对未来5G 和IoT 的兼容的解调仪。新的低成本解调平台，比如光电混合集成的解调仪，硅光集成的解调仪，有望将解调仪成本降低一个数量级。
5 在航空，航天，航海，核电和高铁上的应用加快。兼容主要工业汇流排，实现工业过程式控制制。
6 标准化，行业标准，出厂预标定，即插即用。全自动部署（3D 列印型）减少人为因素影响。
附 其他光纤感测器
DTS 分散式温度感测，基于Raman 散射Stokes 线和反Stokes 线的强度比分散式测量温度。主要是隧道防火用途。
OTDR 光时域反射计：脉冲激光作为光源，利用光纤本征的Rayleigh 散射回波测量光纤链路上的反射，损耗，通断。可视为光纤内的一维雷达。可作为分散式声学感测DAS。分散式振动感测DVS，可测几十上百公里光纤的温度和应力分布，典型应用，油气管监测。
OFDR 光频域反射计：连续激光作为光源，是OTDR 的倒易域，解析度更高，但测量距离最多
数百米。
FOCT, FOG：利用旋光效应测量大电流或者相位。
FPI: Fabry Perot 干涉仪，基于干涉仪等效腔长测量压力。
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