FBG传感器形状传感：让“无形”变“有形”的技术革新

在桥梁弯曲、飞机机翼形变甚至医疗机器人触觉感知中，如何精准捕捉物体的三维形状变化？光纤布拉格光栅（FBG）传感器凭借其独特的“感知力”，正在重塑形状传感技术的未来。

一、从应变到形状：FBG的“透视眼”

FBG传感器的核心原理是通过监测光纤光栅反射波长的微小偏移，推算应变和温度变化。当多个FBG以特定阵列嵌入被测物体（如飞机蒙皮或桥梁结构）时，它们如同密集的“神经末梢”，实时捕捉局部形变数据。结合曲率计算和空间重构算法，这些离散的应变数据可还原出完整的三维形状。例如在大型斜拉桥部署数百个FBG节点，可实现毫米级形变监测，提升预警效率。

图1. 待测结构形变示意图

图片来源：《基于FBG的形状传感技术研究进展 》

二、技术攻坚：突破三大瓶颈

尽管FBG传感器具有高精度、抗干扰、光纤直径小等优势，但FBG形状传感仍需攻克关键挑战：

1、温度“干扰劫”：温度与应变的交叉敏感会导致数据漂移。目前采用“参考光栅+AI补偿”组合拳，例如某风电叶片监测项目，通过LSTM神经网络预测温度影响，将误报率降低65%。

2、解调“速度战”：传统光谱仪解调速度慢，难以满足动态监测需求。新兴的MEMS可调滤波器可将解调频率提升至10kHz，已应用于高铁轨道实时形变监测。

3、重构“精度关”：复杂曲线重构易受算法限制。改进型弗雷纳标架法引入粒子群优化，在油气管道弯折检测中将重构误差从5%压缩至0.8%。

图2. 利用弗雷纳标架重构曲线的原理示意图

图片来源：《基于FBG的形状传感技术研究进展 》

三、未来：从工业到生命体的全域感知

FBG形状传感正走向多技术融合：

1、数字孪生+FBG：某智慧城市项目将FBG数据与BIM模型动态映射，实现地下管廊“形变-预警-维护”闭环管理。

2、医疗微型化：直径0.2mm的FBG阵列导管已进入临床试验，可实时绘制心血管内部3D形态，助力精准介入治疗。

从钢铁巨构到人体血管，FBG形状传感让不可见的力学变化“纤毫毕现”。随着材料、算法和硬件的协同突破，这项技术正在打开感知万物形态的新维度。