FBG(Fiber Bragg Grating：即光纖布拉格光柵)是衍射光柵概念的發(fā)展，其衍射是由光纖內(nèi)部折射率的變化實現(xiàn)的。FBG于1978年問世，它利用摻雜(如鍺、磷等)光纖的光敏性，通過紫外寫入的方法使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用，導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵(如圖1)。圖中，F(xiàn)BG的周期Λ一般小于1μm。

　　FBG傳感的基本原理如圖2所示。當(dāng)一束光送進(jìn)FBG時，根據(jù)光柵理論，在滿足Bragg條件的情況下，就會發(fā)生全反射，其反射光譜在Bragg波長處出現(xiàn)峰值。光柵受到外部物理場(如應(yīng)力應(yīng)變、溫度等)的作用時，其柵距Λ隨之發(fā)生變化，從而改變了后向反射光的波長。根據(jù)ΔλB變化的大小就可以確定待測部位相應(yīng)物理量的變化。

　　FBG好像一個窄帶的反光鏡，只反射一個波長而透射其余的波長。被反射的波長稱為Bragg波長，滿足光纖光柵的Bragg方程式，即滿足條件

　　λB=2neffΛ 圖(1)

　　式中，∧為Bragg光柵周期;neff為反向耦合模有效折射率。該方程式為光纖光柵在外界作用下Bragg波長的傳感響應(yīng)提供了理論工具，即任何使這兩個參量發(fā)生改變的過程，都將引起光柵Bragg波長的移位。因此，常見的FBG傳感器，就是通過測量布拉格波長的移動(或漂移)而實現(xiàn)對被測量的檢測的。

　　在所有引起光柵Bragg波長移位的外界因素中，最直接的是應(yīng)力、應(yīng)變參量。因為無論是對光柵進(jìn)行拉伸或擠壓，都將導(dǎo)致光柵周期∧的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應(yīng)，使得有效折射率也隨著外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而改變。據(jù)此，可用光纖Bragg光柵制成靈敏的光纖傳感器。其中，應(yīng)力引起光柵Bragg波長的移位可以由下式統(tǒng)一描述

　　ΔλB=2neffΔΛ+2ΔneffΛ 圖(2)

　　式中，ΔΛ為光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性形變;Δneff為光纖的彈光效應(yīng)。不同的外界應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致ΔΛ和Δneff的不同變化。因此，只要檢測到反射信號中光柵Bragg波長的移位ΔλB，即可檢測到待測傳感量的變化。

　　從彈光效應(yīng)的角度來看，光纖光柵對縱向壓力較橫向壓力更為敏感。綜合彈光和波導(dǎo)兩種效應(yīng)，光纖光柵對于均勻橫向應(yīng)力的靈敏度較縱向伸縮要小，因而在復(fù)雜應(yīng)力情況下，由縱向壓力引起的波長移位將會占主要地位。

　　若只考慮軸向應(yīng)變(即縱向壓力)時，則引起中心波長位移的相對變化為

　　圖(3)

　　式中， 為光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)， 為軸向應(yīng)變。由式(3)可看出，反射波長的變化與應(yīng)變應(yīng)力成正比。也就是說，由反射波長的變化可以得到相應(yīng)的應(yīng)變力。

　　外界溫度的改變，同樣也會引起光纖光柵Bragg波長的移位。從物理本質(zhì)看，引起波長移位的原因主要有：光纖熱光效應(yīng)、光纖熱膨脹效應(yīng)、光纖內(nèi)部熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)。從光柵Bragg方程式(1)出發(fā)，當(dāng)外界溫度改變時，對式(2)展開，可得溫度變化ΔT時所引起的光纖光柵Bragg波長的移位。通過理論推導(dǎo)證實，當(dāng)材料確定后，光纖光柵對溫度的靈敏度系數(shù)基本上是與材料系數(shù)相關(guān)的常數(shù)。因此，對于純?nèi)廴谑⒐饫w，當(dāng)不考慮外界因素的影響時，其溫度靈敏度系數(shù)基本上取決于材料的折射率溫度系數(shù)，而彈光效應(yīng)與波導(dǎo)效應(yīng)將不對光纖光柵的波長移位造成顯著影響。故可得下列表達(dá)式，即

　　圖(4)

　　式中，αn為熱光系數(shù);αΛ為線性熱膨脹系數(shù)。對于熔融石英光纖，αn=0.86×10-5/oC，而αΛ=5.5×10-7/oC。

　　由式(4)可看出，反射波長的變化與溫度變化ΔT也成正比。即由反射波長的變化可以得到相應(yīng)的溫度。對1.55μm波長，可得到單位溫度變化下引起的波長移位為10.8pm/oC。

　　光纖光柵傳感器除具有一般光纖傳感器的優(yōu)點外，還具有下列優(yōu)點：

　　· 抗干擾能力更強(qiáng)，有很高的可靠性和穩(wěn)定性;

　　· 測量靈敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重復(fù)性;

　　· 動態(tài)范圍大、線性好，能自定標(biāo)，可用于對外界參量的絕對測量;

　　· 能在同一根光纖內(nèi)集成多個傳感器復(fù)用，便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò);

　　· 便于遠(yuǎn)距離監(jiān)測橋梁等建筑物，便于作成智能傳感器，而應(yīng)用廣泛;

　　· 結(jié)構(gòu)簡單、壽命長，便于維護(hù)保養(yǎng)、便于擴(kuò)展與安裝;

　　· 光柵的寫入工藝成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)等。