光纤光栅的弹光效应和热光效应

介绍一下光纤光栅的热光效应和弹光效应,给出计算公式。

您好!很高兴为您介绍光纤光栅(FBG)的热光效应和弹光效应,并给出相应的计算公式。

光纤光栅的热光效应 (Thermo-optic Effect)

热光效应是指光纤光栅的布拉格波长(Bragg Wavelength)随环境温度变化而发生漂移的现象。这主要由两个因素引起:

  1. 光纤材料的热膨胀:温度变化导致光纤材料(通常是石英)发生热胀冷缩,从而改变光栅周期(Λ)。
  2. 光纤材料折射率的热光系数:温度变化会引起光纤纤芯的有效折射率(n_eff)发生变化。

光纤光栅的布拉格波长由以下公式决定:
λB = 2 * n_eff * Λ

当温度发生变化 ΔT 时,布拉格波长的变化 ΔλB 可以表示为:

ΔλB / λB = (α + ξ)ΔT

其中:

  • ΔλB:布拉格波长变化量
  • λB:初始布拉格波长
  • α:光纤材料的线热膨胀系数(对于石英光纤,α ≈ 0.55 × 10^-6 /℃)
  • ξ:光纤材料的热光系数(对于石英光纤,ξ ≈ 6.67 × 10^-6 /℃)
  • ΔT:温度变化量

这个效应是光纤光栅温度传感器的基本原理。

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OFSCN® 100°C 光纤光栅温度传感器
OFSCN® 300°C 光纤光栅温度传感器
OFSCN® 500°C 光纤光栅温度传感器
OFSCN® 800°C 光纤光栅温度传感器
OFSCN® 陶瓷封装光纤光栅温度传感器
OFSCN® 150℃低压绝缘光纤光栅温度传感器

产品外观展示:












光纤光栅的弹光效应 (Photoelastic Effect)

弹光效应是指当光纤光栅受到外部应变(如拉伸或压缩)时,其布拉格波长发生漂移的现象。这同样主要由两个因素导致:

  1. 光栅周期变化:直接的机械应变导致光纤的物理长度发生改变,从而直接改变光栅周期(Λ)。
  2. 有效折射率变化:光纤受力发生形变时,材料内部的密度和应力分布会改变,通过弹光效应导致光纤纤芯的有效折射率(n_eff)发生变化。

当光纤光栅承受轴向应变 Δ_ε_ 时,布拉格波长的变化 ΔλB 可以表示为:

ΔλB / λB = (1 - Pe)Δ_ε_

其中:

  • ΔλB:布拉格波长变化量
  • λB:初始布拉格波长
  • Pe:光纤的有效弹光系数(或应变光学系数),通常通过以下公式计算:
    Pe = n_eff^2 / 2 * [P12 - ν(P11 + P12)]
    其中 n_eff 是有效折射率,P11 和 P12 是弹光张量系数,ν 是泊松比。对于标准石英光纤,Pe 的典型值约为 0.22。
  • Δ_ε_:轴向应变变化量

这个效应是光纤光栅应变传感器的基本原理。

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这两个参数哪一个符合一项式,哪一个符合二项式?

您好!针对您的问题,结合光纤光栅的理论效应和实际产品标定情况,我可以为您详细解释:

理论公式来看,光纤光栅的热光效应弹光效应都表现为一项式(线性)关系,即波长漂移量与温度变化或应变变化呈线性正比。

但在实际工程应用和产品标定中,为了提高测量精度,尤其是考虑到材料属性在宽温度范围内的非线性变化,会根据传感器的类型和使用温度范围选择不同的标定公式:

  1. 光纤光栅温度传感器:

    • 在较窄的温度范围或对精度要求相对不那么极致时,常采用一项式标定公式(例如OFSCN® 100°C光纤光栅温度传感器)。
    • 在更宽的温度范围或要求更高精度时,通常采用二项式标定公式,以更好地拟合实际的非线性响应(例如OFSCN® 300°C、500°C、800°C光纤光栅温度传感器以及OFSCN® 150℃低压绝缘光纤光栅温度传感器)。
    • OFSCN® 陶瓷封装光纤光栅温度传感器根据定制的温度区域,可能采用一项式或二项式。
  2. 光纤光栅应变/位移/应力传感器:

    • 这类传感器通常在相对较窄的应变范围内工作,且光纤材料的弹光系数在应变范围内的非线性程度较低。因此,绝大多数OFSCN® 光纤光栅应变、位移、应力传感器都采用一项式标定公式。

总结来说:

  • 热光效应在实际应用中,尤其是在宽温度范围内,更常采用二项式标定公式以保证精度,但窄范围也可采用一项式。
  • 弹光效应在实际应用中,通常采用一项式标定公式。

详情请参考:
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