一、光纤光栅传感器技术原理概述

光纤光栅是指在光纤核心中周期性调制折射率形成的一种光学结构。其最显著特征是能够反射特定波长的光信号，这一波长被称为布拉格波长（Bragg wavelength），表达式为：

$$\lambda_B = 2n_{\text{eff}} \Lambda$$

其中，

• $\lambda_B$ 为布拉格波长，

• $n_{\text{eff}}$ 为光纤的有效折射率，

• $\Lambda$ 为光栅周期。

当光纤受到应变、温度或其他物理量作用时，$n_{\text{eff}}$ 和 $\Lambda$ 会发生变化，从而引起反射波长的漂移。通过监测这一波长的变化，可实现对外部环境变化的感知。

二、应变监测技术

1. 技术原理

应变作用于光纤光栅时，会改变光栅周期和有效折射率，从而使反射波长发生线性偏移。偏移量与应变成正比，其数学表达式为：

$$\Delta \lambda = \lambda_B (1 - p_e) \varepsilon$$

其中，$p_e$ 为光纤的应变光学系数，$\varepsilon$ 为轴向应变。

2. 应用场景

• 桥梁结构健康监测：在桥梁梁体、支座处布设FBG应变传感器，实现对长期结构形变的实时监控。

• 隧道与地铁结构：监测地层沉降、衬砌裂缝等应变变化，提升结构安全性。

• 航空航天：用于机翼、发动机支架等部位，监测应力集中区域。

3. 优势

• 灵敏度高，能够检测微小形变量；

• 易于串联，便于构建多点分布式传感网络；

• 耐高压、抗腐蚀，适用于恶劣环境。

三、温度监测技术

1. 技术原理

温度变化将引起光栅周期热膨胀及光纤材料折射率的变化，造成布拉格波长漂移，其变化量为：

$$\Delta \lambda = \lambda_B (\alpha + \xi) \Delta T$$

其中，$\alpha$ 是热膨胀系数，$\xi$ 是热光系数，$\Delta T$ 是温度变化值。

2. 应用场景

• 电力设备在线监测：如变压器绕组温度监控，提升运行安全性；

• 高压输电线路：在长距离输电线路中布设FBG传感器，实现远程温度监控；

• 石油化工设备：在管道、反应釜表面进行实时温度测量。

3. 技术优势

• 非接触式、抗电磁干扰；

• 可实现长期稳定测温；

• 可嵌入金属、复合材料内部，适合恶劣工况。

四、压力监测技术

1. 技术原理

压力变化作用于封装有FBG的弹性膜片，会引起应变，从而改变光栅反射波长。此种方式通过力-应变-波长的传递关系实现压力感知。

2. 应用场景

• 深海油气开发：测量海底油井压力，保障开采安全；

• 工业过程控制：如锅炉、管道压力监控；

• 医疗器械：如微型血压监测装置。

3. 技术特点

• 尺寸小，易于集成；

• 能实现微压力高精度检测；

• 可用于高压、腐蚀环境中。

五、振动监测技术

1. 技术原理

通过快速采样布拉格波长的微小变化，可实现对结构的振动频率、加速度等物理量的精密检测。通常与解调模块、高速光源结合使用。

2. 应用场景

• 风力发电机组叶片监测：检测振动频率，预测疲劳失效；

• 轨道交通系统：监测列车行驶引起的轨道振动；

• 地震预警系统：实时监控地壳振动变化。

3. 优势分析

• 响应速度快，适合动态检测；

• 多通道并联监控，覆盖大范围；

• 可与其他物理量测量融合，实现多参量分析。

六、发展趋势与未来展望

光纤光栅传感器作为光电集成与传感技术的典范，其发展呈现出以下趋势：

1. 微型化与高集成：随着MEMS技术发展，FBG传感器将实现更小体积、更高灵敏度；

2. 智能化传感系统：结合人工智能、边缘计算，实现智能预警与故障诊断；

3. 多物理场融合感知：实现应变、温度、湿度、压力等多个物理量的复合检测；

4. 大规模应用：如智慧城市、智能交通、海洋监测、国防安全等领域。

七、总结

光纤光栅传感器凭借其独特的物理特性与优越的环境适应性，在结构健康监测、温度与压力测量、振动分析等多个领域发挥了重要作用。本文围绕应变、温度、压力、振动四类典型应用场景，解析了其核心技术原理、工程实践和未来趋势。随着传感技术与数据处理能力的不断提升，FBG传感器将持续拓展其在智慧社会建设中的应用广度与深度。