光纤布拉格光栅(FBG)光学传感: 高难度应变测量的新方案

　　概览

　　应变测量方法已有长足的进步。 而目前最先进的3项技术分别为电子箔片量表(electrical foil gage)、电子振弦 (Electrical vibraTIng wire)以及光纤布拉格光栅 (Fiber Bragg GraTIng，FBG)光学传感器。

　　针对大部分的标准应变感测应用而言，电子感测目前已成为最高效率的解决方案，未来也将持续这一趋势。 但在传统的高难度应用中，光学传感器另已崛起。 恶劣的环境、分布式系統或者长时间部署均体现了光学传感系統的特性，且其效率远高于传统的电子传感器。需要测量解决方案的应用，往往必須兼顾多种传感技术的优点与特性。 因此混合方式就成为重要考量。 本文将简要说明各种技术，并权衡其优缺点。

　　技术介绍

　　电子传感: 金属箔片量表

　　箔片应变量表是通过电阻与导体长度之间的关系，测得应变所发生的变化。 在箔片延展的同时，其长度也跟着变长，因此造成电阻短时间的变化。 若要精确测量电阻的微小变化，就必须通过额外的信号处理，也就是常见的Wheatstone电桥电阻网。 此处是跨电阻网而套用稳定的电压，测得箔片上的等比例电压压降而得出应变。

　　图1. 常见的箔片应变量表

　　电子传感：振弦

　　正如其字面意思，振弦(VibraTIng wire)传感是利用弦线张力与弦线震动频率之间的关系。 常见的激发震动的方式是驱动电流，使其穿过弦线附近的线圈。 接著将产生磁场，并因其记性而排斥或吸引弦线。 一旦弦线到达稳定状态，会再透过相同的振动线圈测量其震动情形。 接着分析频率资料并将其转换为应变。

　　图2. 常见振弦传感器的配置

　　光学传感：光纤布拉格光栅

　　光学传感是通过光线特性而测量物理現象。 FBG即根据玻璃纤维折射率的一系列变化所构建。 先用光纤连至光源，当光线进入应变FBG传感器时，即由光栅属性而反射特殊波长。 在FBG延展的同時，这些光栅之间的间隙也随之变大，进而改变反射光的波长。 接着测得反射光，并将波长中的漂移转换为应变值。

　　图3. FBG延展图

　　应用考量

　　表1. 应变传感技术属性摘要