淺淺分析一下光纖光柵布拉格傳感器及原理（一）
????光纖光柵布拉格傳感器（Fiber Bragg Grating Sensor）是一種基于光纖光柵技術的傳感器，利用布拉格光柵的特性來測量和監(jiān)測物理量的變化。它是一種光纖傳感器的子類，利用光纖中的布拉格光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對光波的頻率選擇性反射，從而實現(xiàn)對物理量的測量。
????布拉格這個名字起源于X射線結(jié)晶學的先驅(qū)Bragg父子，他們發(fā)現(xiàn)準單色射線源從某一個特定角度入射晶體中時，所有的入射光會集中到一個特定的方向上，在光纖光柵中也有類似的效果。通過待測量調(diào)制入射光束的波長，測量反射光的波長變化進行檢測。由于波長是一個絕對的參數(shù)，不受總體光強水平、連接光纖以及耦合器處的損耗或者光源能量的影響，因此比其他光的調(diào)制方式更加穩(wěn)定。其是一種準分布式的傳感器。
????自1978年加拿大的Hill等人研制出世界上第一支光纖布拉格傳感器之后，人們對其的重視程度指數(shù)級增長，光纖光柵傳感技術遍如雨后春筍般發(fā)展起來。現(xiàn)如今，光纖光柵傳感器廣泛應用于對測量要求極為苛刻的領域，如航空航天，船舶以及醫(yī)療領域，其已經(jīng)是世界上最有發(fā)展前景、最具代表性的光學無源器件之一。
相對于傳統(tǒng)的電學傳感器，光纖光柵傳感器有其無法比擬的優(yōu)勢，大致可分為以下幾點：
高靈敏度：光纖光柵傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高度靈敏的測量，可以檢測微小的物理量變化。光柵結(jié)構(gòu)對光信號的特征參數(shù)變化非常敏感，因此可以實現(xiàn)高分辨率的測量。
抗干擾能力強：光纖光柵傳感器采用光纖作為傳輸介質(zhì)，不受電磁干擾的影響。相比于電氣傳感器，它具有更好的抗干擾性能，適用于復雜的環(huán)境條件。
長測距能力：光纖光柵傳感器可以通過延長光纖的長度來實現(xiàn)長距離的測量，可以覆蓋較大的監(jiān)測范圍。這使得它在一些需要遠距離監(jiān)測的應用中非常有用，如管道、橋梁等。
多參數(shù)測量：光纖光柵傳感器可以通過在光纖中引入多個光柵結(jié)構(gòu)或多路復用技術，實現(xiàn)對多個物理量的同時測量。這種能力使其在一些需要監(jiān)測多個參數(shù)的場景中非常有用，提高了系統(tǒng)的綜合性能。
高溫、高壓等極端環(huán)境適應性：光纖光柵傳感器可以通過選擇合適的光纖材料和光柵結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)在高溫、高壓等極端環(huán)境下的穩(wěn)定工作。這使得它在一些特殊應用領域，如航空航天、能源等，具有廣泛的應用前景。
無電源需求：光纖光柵傳感器不需要外部電源供應，其工作原理是基于光學原理的，因此可以在無電源或難以接觸的環(huán)境中使用，具有較高的可靠性和安全性。
輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復用和時分復用相結(jié)合，構(gòu)成分布式傳感。
最最重要的一點：光纖光柵傳感器體積小，重量輕，直徑可輕松達到0.3mm，穩(wěn)定性及重復性好，可以埋入到大型結(jié)構(gòu)中測量內(nèi)部的應變及結(jié)構(gòu)損傷等。
但光纖光柵體積小也給其帶來了一些缺點，其主要材料為二氧化硅，抗拉不抗剪，在一些粗放式安裝或者操作不當時極易引起脆斷導致傳感器失效。因此，對光纖光柵傳感器的封裝也是目前光纖傳感器領域的一大研究方向之一。
????光纖光柵的本質(zhì)就相當于一個濾波器，當光波通過制備的布拉格光柵時，對滿足相位匹配條件的光會形成強烈反射，對不滿足相位匹配條件的光形成弱反射，就是這個光柵就相當于一個反射鏡，入射的光波，滿足布拉格條件的光會被反射回去，而不滿足這個條件的光就沿著光路繼續(xù)往前走，如下圖所示，第一張圖是通過寬帶光源打出去的入射光譜，第二張圖就是反射光譜（布拉格尖峰），第三就是不滿足這個條件，一直走到末尾的光波。
????柵區(qū)放大如圖所示：
????由內(nèi)到外分別為纖芯層，包層及涂覆層，中間的數(shù)個小段即為光柵，每兩個小段之間都是一個光柵周期，對于滿足布拉格條件的光波會被柵區(qū)反射回去，根據(jù)疊加原理形成中間那張圖的尖峰（布拉格尖峰），尖峰的橫坐標中心記為該光纖光柵的中心波長。
? ? 此為布拉格條件：（B站不知道怎么打公式，就只能卑微截個圖~QAQ）
????測量原理就是，寬譜光源將有一定帶寬的光通過環(huán)形器入射到光纖光柵中，由于光纖光柵的波長選擇性作用，符合條件的光被反射回來，再通過環(huán)形器送入到解調(diào)裝置測出光纖光柵的反射波長變化。當光柵測量外界的溫度或者應變等數(shù)據(jù)時，自身柵距發(fā)生變化，引起反射波長的變化，再通過解調(diào)裝置檢測波長的變化推導出外界的溫度或者應變。
????翻譯成白話就是先讀出來這個布拉格光柵的初始波長，然后，由于應變溫度（主要是這兩個方面）物理參量使這個光柵的折射率和柵區(qū)的周期發(fā)生變化，就是式中的（纖芯的有效折射率），（柵區(qū)周期）發(fā)生變化，所以導致第二張圖（反射譜）發(fā)生對應的變化。根據(jù)光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)出對應的波長數(shù)據(jù)，再通過分析這個反射譜中心波長的偏移量，再結(jié)合相關的溫度/應變系數(shù)，就能得到溫度/應變值。
????需要注意的是，光柵測量應變的本質(zhì)其實是改變柵距導致中心波長在反射譜上發(fā)生偏移，溫度及應變均會導致其發(fā)生變化，所以在測量某單一變量的時候，需要盡可能消除另一個變量的影響才能測得準確的數(shù)值。具體看如下公式。
波長變化量公式如圖所示：
????拿測量應變舉例，實驗過程如下：
以上僅為個人理解，有不對的地方歡迎批評指正。
