光纤光栅传感器（FBG传感器）代表了现代传感技术的重要发展方向，以其独特优势在众多关键领域发挥着不可替代的作用。本文将深入解析其核心工作原理、显著技术特点及广泛的实际应用场景。
一、 光纤光栅传感器如何工作？
理解光纤光栅传感器，关键在于认识其核心部件——光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）。
光纤光栅的核心结构
- 周期性折射率调制：利用特殊工艺（如紫外激光曝光），在光纤纤芯内部形成周期性、永久性的折射率变化区域。
- 布拉格波长：这种周期性结构如同一个波长选择器，对特定波长的光产生强反射，这个特定波长即布拉格波长（λ_B）。
传感的物理基础：波长调制
当外界物理量（如应变、温度）作用于光纤光栅时，会引发两个关键变化：
1. 光栅周期(Λ)变化：拉伸或压缩光纤会直接改变光栅条纹的间距。
2. 光纤有效折射率(n_eff)变化：温度变化或弹光效应会改变光纤材料的折射率。
根据布拉格条件公式 λ_B = 2 * n_eff * Λ， λ_B 会随应变或温度的改变而发生漂移。通过高精度仪器（如光纤解调仪）监测这个布拉格波长的微小偏移量，即可精确反推出被测物理量的大小。
二、 光纤光栅传感器的突出优势是什么？
光纤光栅传感器能在众多传感技术中脱颖而出，源于其一系列独特优点：
本质安全，抗干扰性强
- 全介质结构：光纤本身由石英玻璃制成，不导电、不发热。
- 抗电磁干扰(EMI)：完全不受强电磁场、雷电、射频等干扰影响，适用于复杂电磁环境。
- 防爆特性：无电火花风险，是易燃易爆危险区域监测的理想选择。
精准可靠，复用能力强
- 高精度与分辨率：波长是光的本质属性，测量精度高，分辨率可达微应变或0.1°C量级。
- 绝对测量：布拉格波长是绝对参量，不受光源波动或光纤弯曲损耗影响，测量结果稳定可靠。
- 波分复用(WDM)：可在单根光纤上刻写多个具有不同布拉格波长的光栅，实现多点分布式传感，大幅降低系统复杂度和成本。
耐用性好，易于布设
- 耐腐蚀、寿命长：石英光纤材料化学性质稳定，使用寿命长。
- 体积小、重量轻：传感器尺寸细小，对被测结构影响小，易于嵌入或表面粘贴安装。
- 长距离传输：信号衰减小，适合远距离（公里级）监测。
三、 光纤光栅传感器用在哪些关键领域？
凭借其卓越性能，FBG传感器在多个重要行业找到了广泛应用：
大型结构健康监测
- 桥梁监测：实时监测桥梁关键部位的应变、位移、振动、温度，评估结构安全与服役状态。(来源：土木工程监测报告)
- 大坝与隧道：监测混凝土内部的应变、裂缝发展以及渗流、温度场分布。
- 高层建筑与历史建筑：监测结构变形、振动特性及环境温度影响。
能源电力系统安全
- 电力设备温度监测：精准监测变压器绕组、开关柜触点、电缆接头等关键点的温度，预防过热故障。
- 风机叶片状态监测：嵌入叶片内部，监测其应变分布、振动模态及损伤情况，优化运维。
- 油气管道安全：监测管道应变、泄漏（通过温度异常或振动）及第三方破坏。
工业过程与设备监控
- 复合材料制造与测试：嵌入复合材料构件内部，实时监测固化过程中的温度、应变变化及残余应力。
- 旋转机械状态监测：测量转轴扭矩、振动，用于设备故障预测与健康管理。
- 恶劣环境传感：应用于高温、高压、强腐蚀等传统电子传感器难以胜任的场合。
总结
光纤光栅传感器通过布拉格波长对外界应变和温度的敏感性实现精准测量，其本质安全、抗电磁干扰、高精度、复用能力强及长寿命等核心优势，使其在结构健康监测、能源电力安全及工业智能监控等关键领域展现出巨大价值。作为一种先进的光学传感技术，它正持续推动着各行业监测手段向更安全、更可靠、更智能的方向发展。
