光纖Bragg 感測器(FBG)的原理，應用，前沿和展望 白皮書
光纖Bragg 感測器(FBG)的原理，應用，前沿和展望 白皮書
Xin Gong*
FemtoFiberTec GmbH, Ernst-Lau-Stra?e 8, 12489 Berlin, Germany
wechatID: XGBerlin
摘要
本文以極簡方式介紹光纖Bragg 光柵(FBG)技術的原理，應用，前沿現狀，並展望未來.
前言
FBG 的應用在於多點溫度和應變測量，其主要替代1 工業上常見的單點PT 和熱電偶做分散式
測溫， 替代2 電子應變片做分散式測量應力,應變。光纖感測器相對於以上電學感測器的主要
優勢是1 輕小串列復用，適於狹小空間可共形佈置，減少布線和運維成本，2 光學感測不受電
磁場幹擾，本徵安全不產生電火花，適於特殊環境使用。但光纖感測器系統成本相對較高。
原理
FBG 是製造在光纖纖芯上的週期性微結構光學濾波器，FBG 反射纖芯裏的特定波長(稱為Bragg波長)的傳輸光。當FBG 區域的溫度和應力狀態改變，則Bragg 波長實時相應改變。FBG 的溫度測量精度可達0.1K，應變測量精度可達1 微應變。取樣速率從幾Hz 到幾kHz。一條光纖上可以製造多達幾十個FBG，各自以其Bragg 波長作為標誌獨立工作，構成串列感測器，即一根光纖完成信號發送，感測，信號讀取，布線和維護簡潔，適於空間受限的多點溫度和應變測量。
現狀和應用
FBG 最早由NASA 應用到航空結構的應變測量。2000 年前後進入成熟應用階段，現在主要的應用是基礎設施的結構健康監測，比如橋樑，隧道的變形和沉降監測。風機的載荷測量結冰測
量。鋰電和燃料電池的狀態和安全監測。
一些特殊特種場合，如高溫（高溫鍋爐，循環流化牀，冶金，汽車發動機控制和排放），高壓
（化學反應器），核輻射，腐蝕性環境（油氣，航發，燃機，汽機，煤液化裝置）對FBG 的可
靠性提出更高的要求，微創醫療和手術機器人需要密集FBG 陣列作為體內壓力感測器，溫度傳
感器。針對以上市場新興需求，FemtoFiberTec 公司應用飛秒激光以獨有的逐點方式透過塗敷層方式製造FBG，耐溫至1000C，遠高於常規紫外掩模板法製造的FBG(250C)，對光纖適應性更強，製造的FBG 的波長不受昂貴的掩模版限制，不損害光纖塗復層，抗拉強度更高。此外，此技術在專利基礎上實現了卷對卷全自動製造，大規模製造的性價比和可互換性更優，相鄰FBG 的頭尾距短至毫米。此方法也可以寫入-45 到-35dB 的全同波長弱反射光柵，用於OTDR干涉信號增強。或者45 到-35dB 的非全同波長弱反光柵，用於時分波分OTDR-FBG混合技術.
展望
FBG 感測器未來的可能發展方向
1 解決FBG 自身的交叉敏感性問題。
2 擴展應用範圍，尤其是低於-50C 的低溫度測量，線性度問題，高於500C 溫度測量。更大溫
度範圍內的應變測量。
3 植入復材的FBG 實現復材全壽命健康監測，可直接焊接在金屬(鐵系，鋁，鈦)表面的FBG，
複合式光纖感測（壓電FBG，磁致伸縮FBG, 化學和氣體感測FBG）
4 解調儀的按行業細分化，對未來5G 和IoT 的兼容的解調儀。新的低成本解調平臺，比如光電混合集成的解調儀，硅光集成的解調儀，有望將解調儀成本降低一個數量級。
5 在航空，航天，航海，核電和高鐵上的應用加快。兼容主要工業匯流排，實現工業過程式控制制。
6 標準化，行業標準，出廠預標定，即插即用。全自動部署（3D 列印型）減少人為因素影響。
附 其他光纖感測器
DTS 分散式溫度感測，基於Raman 散射Stokes 線和反Stokes 線的強度比分散式測量溫度。主要是隧道防火用途。
OTDR 光時域反射計：脈衝激光作為光源，利用光纖本徵的Rayleigh 散射回波測量光纖鏈路上的反射，損耗，通斷。可視為光纖內的一維雷達。可作為分散式聲學感測DAS。分散式振動感測DVS，可測幾十上百公里光纖的溫度和應力分佈，典型應用，油氣管監測。
OFDR 光頻域反射計：連續激光作為光源，是OTDR 的倒易域，解析度更高，但測量距離最多
數百米。
FOCT, FOG：利用旋光效應測量大電流或者相位。
FPI: Fabry Perot 干涉儀，基於干涉儀等效腔長測量壓力。
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