光纤光栅应变增敏技术
光纤光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）作为一种重要的光纤传感器，因其抗电磁干扰、体积小、耐腐蚀、可复用性强等优点，被广泛应用于应变、温度、振动等物理量的测量。应变增敏是指通过特定技术手段提升FBG对应变的灵敏度，使其在微小应变条件下仍能实现高精度检测。以下是光纤光栅应变增敏的技术路径及关键点：
1. 光纤光栅应变传感原理
- 基本原理：FBG的反射波长（布拉格波长，λB）与光纤的有效折射率（neff）和光栅周期（）相关，公式为：
当光纤受轴向应变时，Λ和均会发生变化，导致偏移，通过监测波长偏移量即可反推应变值。
- 标准灵敏度：裸光纤光栅的应变灵敏度约为 1.2 pm/με（皮米每微应变）。
2. 应变增敏的核心方法
通过优化结构设计或材料特性，将外界应变放大并高效传递至FBG，从而提高ΔλB/ε的比例。常用方法包括：
（1）结构增敏设计
- 柔性基底封装：
- 将FBG粘贴或嵌入低弹性模量材料（如聚合物、橡胶）制成的柔性基底中，外力作用下基底发生较大形变，从而放大传递至FBG的应变。
- 例如：采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装，其弹性模量远低于石英光纤，显著提升应变灵敏度。
- 悬臂梁结构：
- 将FBG固定在悬臂梁的应变集中区域（如根部），利用梁的弯曲变形实现应变放大。
- 灵敏度提升倍数与梁的长宽比、材料特性相关。
- 杠杆原理结构：
- 通过机械杠杆结构将微小位移/应变放大后作用于FBG，适用于低频振动或静态应变监测。
（2）材料增敏
- 低弹性模量封装材料：
- 选择弹性模量显著低于光纤的材料（如聚合物、水凝胶），使外力作用下封装材料的应变远大于光纤，通过界面剪切力将应变传递给FBG。
- 预拉伸技术：
- 在封装前对FBG施加预拉伸，使其处于高灵敏线性响应区间，同时避免压缩应变导致的啁啾效应。
（3）光栅参数优化
- 倾斜光栅（TFBG）或长周期光栅（LPG）：
- 特殊光栅结构对弯曲、横向应变更敏感，可通过模式耦合增强应变响应。
- 双参数解耦：
- 设计双FBG（如不同周期或方向）或结合其他传感器（如法布里-珀罗干涉仪），分离温度与应变的交叉敏感，间接提高应变测量信噪比。
3. 温度补偿与交叉敏感处理
FBG对应变和温度均敏感（温度灵敏度约10 pm/℃），增敏设计中需解决温度干扰：
- 参考光栅法：使用不受力的FBG作为温度参考。
- 双材料封装：选择热膨胀系数差异大的材料，通过差分结构抵消温度影响。
- 算法补偿：结合温度传感器数据，通过数学模型实时校正应变测量值。
