光纖光柵傳感器的缺點(diǎn)：光纖光柵傳感器
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光纖光柵傳感器
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本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫(xiě)與應(yīng)用工作項(xiàng)目
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。
光纖光柵傳感器（Fiber Grating Sensor ）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。
中文名
光纖光柵傳感器
外文名
Fiber Grating Sensor
類(lèi) 別
光纖傳感器
類(lèi) 型
波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器
分 類(lèi)
溫度傳感器、加速度傳感器等
學(xué) 科
電子工程、物理
目錄
1
簡(jiǎn)介
2
分類(lèi)
?
應(yīng)變
?
溫度
?
位移
?
加速度計(jì)
?
壓力
3
特點(diǎn)
4
應(yīng)用
光纖光柵傳感器簡(jiǎn)介
編輯
語(yǔ)音
光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)量。由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過(guò)測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無(wú)法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提。通過(guò)一定的技術(shù)來(lái)測(cè)定應(yīng)力和溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量。這些技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過(guò)確定2個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個(gè)二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。區(qū)分測(cè)量技術(shù)大體可分為兩類(lèi)，即多光纖光柵測(cè)量和單光纖光柵測(cè)量。多光纖光柵測(cè)量主要包括混合FBG/長(zhǎng)周期光柵（long period grating）法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵/F-P腔集成復(fù)用法、雙FBG重疊寫(xiě)入法。各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。FBG/LPG法解調(diào)簡(jiǎn)單，但很難保證測(cè)量的是同一點(diǎn)，精度為9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測(cè)量位置，提高了測(cè)量精度，但光柵強(qiáng)度低，信號(hào)解調(diào)困難。光纖光柵/F-P腔集成復(fù)用法傳感器溫度穩(wěn)定性好、體積小、測(cè)量精度高，精度可達(dá)20×10-6，1℃，但F-P的腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)困難，信號(hào)解調(diào)復(fù)雜。雙FBG重疊寫(xiě)入法精度較高，但是，光柵寫(xiě)入困難，信號(hào)解調(diào)也比較復(fù)雜。單光纖光柵測(cè)量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光柵法、利用不同的FBG組合和預(yù)制應(yīng)變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機(jī)物對(duì)溫度和應(yīng)力的響應(yīng)不同增加光纖光柵對(duì)溫度或應(yīng)力靈敏度，克服交叉敏感效應(yīng)。這種方法的制作簡(jiǎn)單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫(xiě)于不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應(yīng)靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實(shí)現(xiàn)區(qū)分測(cè)量。這種方法解調(diào)簡(jiǎn)單，且解調(diào)為波長(zhǎng)編碼避免了應(yīng)力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測(cè)量范圍偏小等問(wèn)題。預(yù)制應(yīng)變法是首先給光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)變，在預(yù)應(yīng)變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。應(yīng)力釋放后，未粘貼部分的光纖光柵形變恢復(fù)，其中心反射波長(zhǎng)不變；而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢復(fù)，從而導(dǎo)致了這部分光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)改變，因此，這個(gè)光纖光柵有2個(gè)反射峰，一個(gè)反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對(duì)應(yīng)變和溫度都敏感；另一個(gè)反射峰（未粘貼部分）只對(duì)溫度敏感，通過(guò)測(cè)量這2個(gè)反射峰的波長(zhǎng)漂移可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。
[1]
光纖光柵傳感器分類(lèi)
編輯
語(yǔ)音
這些傳感器主要包括光纖光柵應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等。
光纖光柵傳感器應(yīng)變
此種傳感器是在工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的光纖傳感器。應(yīng)變直接影響光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，在工作環(huán)境較好或是待測(cè)結(jié)構(gòu)要求精小傳感器的情況下，人們將裸光纖光柵作為應(yīng)變傳感器直接粘貼在待測(cè)結(jié)構(gòu)的表面或者是埋設(shè)在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對(duì)其進(jìn)行封裝后才能使用。目前常用的封裝方式主要有基片式、管式和基于管式的兩端夾持式。
[1]
光纖光柵傳感器溫度
溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)量和控制的主要參數(shù)，同時(shí)也是與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的一個(gè)重要物理量。目前，比較常用的電類(lèi)溫度傳感器主要是熱電偶溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。光纖溫度傳感與傳統(tǒng)的傳感器相比有很多優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測(cè)等?；诠饫w光柵技術(shù)的溫度傳感器，采用波長(zhǎng)編碼技術(shù)，消除了光源功率波動(dòng)及系統(tǒng)損耗的影響，適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè);而且多個(gè)光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)，采用一根光纜，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。溫度也是直接影響光纖光柵波長(zhǎng)變化的因素，人們常常直接將裸光纖光柵作為溫度傳感器直接應(yīng)用。同光纖光柵應(yīng)變傳感器一樣，光纖光柵溫度傳感器也需要進(jìn)行封裝，封裝技術(shù)的主要作用是保護(hù)和增敏，人們希望光纖光柵能夠具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和較長(zhǎng)的壽命，與此同時(shí)，還希望能在光纖傳感中通過(guò)適當(dāng)?shù)姆庋b技術(shù)提高光纖光柵對(duì)溫度的響應(yīng)靈敏度。普通的光纖光柵其溫度靈敏度只有0.010 nm/℃左右，這樣對(duì)于工作波長(zhǎng)在1550nm的光纖光柵來(lái)說(shuō)，測(cè)量100℃的溫度范圍波長(zhǎng)變化僅為lnm。應(yīng)用分辨率為lpm的解碼儀進(jìn)行解調(diào)可獲得很高的溫度分辨率，而如果因?yàn)樵O(shè)備的限制，采用分辨率為0. 06nm的光譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，其分辨率僅為6度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量的需要。目前常用的封裝方式有基片式、管式和聚合物封裝方式等。
[2]
光纖光柵傳感器位移
研究人員開(kāi)展了應(yīng)用光纖光柵進(jìn)行位移測(cè)量的研究，目前這些研究都是通過(guò)測(cè)量懸臂梁表面的應(yīng)變，然后通過(guò)計(jì)算求得懸臂梁垂直變形，即懸臂梁端部垂直位移。這種“位移傳感器”不是真正意思上的位移傳感器，目前這種傳感器在實(shí)際工程已取得了應(yīng)用，國(guó)內(nèi)亦具有商品化產(chǎn)品。
[2]
光纖光柵傳感器加速度計(jì)
1996年，美國(guó)的Berkoff等人利用光纖光柵的壓力效應(yīng)設(shè)計(jì)了光纖光柵振動(dòng)加速度計(jì)。轉(zhuǎn)換器由質(zhì)量板、基板和復(fù)合材料組成，質(zhì)量板和基板都是6mm厚的鋁板，基板作為剛性板起支撐作用，中間為8mm厚的復(fù)合材料夾在兩鋁板中間起彈簧的作用。在質(zhì)量塊的慣性力作用下，埋在復(fù)合材料中的光纖光柵受到橫向力作用產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)變化。采用非平衡M-Z干涉儀對(duì)光纖光柵的應(yīng)變與加速度間的關(guān)系進(jìn)行解調(diào).1998年，Todd采用雙撓性梁作為轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了光柵加速度計(jì)。加速度傳感器由兩個(gè)矩形梁和一個(gè)質(zhì)量塊組成，質(zhì)量塊通過(guò)點(diǎn)接觸焊接在兩平行梁中間，光纖光柵貼在第二個(gè)矩形梁的下表面。在傳感器受到振動(dòng)時(shí)，在慣性力的作用下，質(zhì)量塊帶動(dòng)兩個(gè)矩形梁振動(dòng)使其產(chǎn)生應(yīng)變，傳遞給光纖光柵引起波長(zhǎng)移動(dòng)。這種傳感器也在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了商品化的產(chǎn)品。
[2]
光纖光柵傳感器壓力
對(duì)拉力或壓力的監(jiān)測(cè)也是監(jiān)測(cè)的一部分重要內(nèi)容，如橋梁結(jié)構(gòu)的拉索的整體索力、高緯度海洋平臺(tái)的冰壓力，以及道路的土壤壓力，水壓力等。哈工大歐進(jìn)萍等人相繼開(kāi)發(fā)出了光纖光柵拉索壓力環(huán)和光纖光柵冰壓力傳感器，英國(guó)海軍研究中心開(kāi)發(fā)了光纖光柵土壤壓力傳感器，用以監(jiān)測(cè)公路內(nèi)部的荷載情況。并且各國(guó)相繼開(kāi)始光纖光柵油氣井壓力傳感器的研究工作。除以上介紹的光纖光柵傳感器外，光纖光柵研究人員和傳感器設(shè)計(jì)人員基于光纖光柵的傳感原理，還設(shè)計(jì)出光纖光柵伸長(zhǎng)計(jì)，光纖光柵曲率計(jì)，光纖光柵濕度計(jì)，以及光纖光柵傾角儀，光纖光柵連通管等。此外，人們還通過(guò)光纖光柵應(yīng)變傳感器制成用于測(cè)量公路運(yùn)輸情況的運(yùn)輸計(jì)、用于測(cè)量公路施工過(guò)程中瀝青應(yīng)變的應(yīng)變計(jì)等。
[2]
光纖光柵傳感器特點(diǎn)
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語(yǔ)音
1、抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁干擾的影響。2、電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，而且無(wú)需電源驅(qū)動(dòng)，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。3、耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定：由于制作光纖的材料一石英具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。4、體積小、重量輕，幾何形狀可塑。5、傳輸損耗?。嚎蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)。6、傳輸容量大：可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。7、測(cè)量范圍廣：可測(cè)量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、 電壓、液位、液體濃度、成分等。
[2]
光纖光柵傳感器應(yīng)用
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語(yǔ)音
自從1989年美國(guó)的Morey等人首次進(jìn)行光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感器研究以來(lái)，世界各國(guó)都對(duì)其十分關(guān)注并開(kāi)展了廣泛的應(yīng)用研究，在短短的10多年時(shí)間里光纖光柵己成為傳感領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)，并在很多領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，如航空航天、土木工程、復(fù)合材料、石油化工等領(lǐng)域。1、土木及水利工程中的應(yīng)用土木工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測(cè)量對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和健康狀況監(jiān)測(cè)是非常重要的.通過(guò)測(cè)量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及健康狀況.。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行健康檢測(cè)、沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況.。另外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè)，可以用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。2、在橋梁安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用目前， 應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測(cè)。斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋梁體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其他土木工程結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力錨固體系，如結(jié)構(gòu)加固采用的錨索、錨桿也是關(guān)鍵的受力構(gòu)件。上述受力構(gòu)件的受力大小及分布變化最直接地反映結(jié)構(gòu)的健康狀況，因此對(duì)這些構(gòu)件的受力狀況監(jiān)測(cè)及在此基礎(chǔ)上的安全分析評(píng)估具有重大意義。加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量的橋梁之一(1993 年)， 16 個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料筋上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)， 而這在以前被認(rèn)為是不可能。德國(guó)德累斯頓附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋， 德累斯頓大學(xué)的Meis－sner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土棱柱中， 測(cè)量荷載下的基本線性響應(yīng)， 并且用常規(guī)的應(yīng)變測(cè)量?jī)x器作了對(duì)比試驗(yàn)， 證實(shí)了光纖光柵傳感器的應(yīng)用可行性。瑞士應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室， 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過(guò)程中， 使用了32個(gè)光纖光柵傳感器對(duì)箱形梁被推拉時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)， 32個(gè)光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。2003年6月，同濟(jì)大學(xué)橋梁系史家均老師主持的盧浦大橋健康檢測(cè)項(xiàng)目中，采用了上海紫珊光電的光纖光柵傳感器，用于檢測(cè)大橋在各種情況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況。施工情況：整個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施主要包括傳感器布設(shè)、數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析三大步。在盧浦大橋選定的端面上布設(shè)了8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和4個(gè)光纖光柵溫度傳感器，其中8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器串接為1路，4個(gè)溫度傳感器串接為1路，然后通過(guò)光纖傳輸?shù)綐蚬芩瑢?shí)現(xiàn)大橋的集中管理。數(shù)據(jù)測(cè)量的周期根據(jù)業(yè)主的要求來(lái)確定，通過(guò)在橋面加載的方式，利用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，完成橋梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試。3、在混凝土梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用1989年，美國(guó)Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結(jié)構(gòu)中， 并描述了實(shí)際應(yīng)用中這一研究領(lǐng)域的一些基本設(shè)想。此后， 美國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。在混凝土結(jié)構(gòu)澆注時(shí)所遇到的一個(gè)非常棘手的問(wèn)題是： 如何才能在混凝土澆搗時(shí)避免破壞傳感器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫(xiě)于普通單模通訊光纖上， 其質(zhì)地脆， 易斷裂， 為適應(yīng)土木工程施工粗放性的特點(diǎn)， 在將其作為傳感器測(cè)量建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)保護(hù)措施。一種可行的方案是：在鋼筋籠中布置好混凝土應(yīng)變傳感器的光纖線路后， 將混凝土應(yīng)變傳感器用鐵絲等按照預(yù)定位置固定在鋼筋籠中， 然后將中間段用紗布纏繞并用膠帶固定。而對(duì)粘貼式鋼筋應(yīng)變傳感器一般則用外涂膠層進(jìn)行保護(hù)。4、在水位遙測(cè)中的應(yīng)用在光纖光柵技術(shù)平臺(tái)上研制出的高精度光學(xué)水位傳感器專(zhuān)門(mén)用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測(cè)量。傳感器的精度可以到達(dá)±0.1%F·S。光纖安裝在傳感器內(nèi)部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，并反射符合布拉格條件的某一波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)FBG與彈性膜片或其它設(shè)備連接在一起時(shí)，水位的變化會(huì)拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長(zhǎng)會(huì)隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長(zhǎng)的偏移就可以監(jiān)測(cè)出水位的變化。5、在公路健康檢測(cè)中的應(yīng)用公路健康監(jiān)測(cè)必要性：交通是與人們息息相關(guān)的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說(shuō)交通的好壞可以直接決定一個(gè)城市的發(fā)展命運(yùn)。每年國(guó)家都要投入大量資金用在公路修建以及維護(hù)上，其中維護(hù)費(fèi)用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。而破壞一般都是因?yàn)槠?chē)超載，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質(zhì)量有很大關(guān)系。所以在公路施工過(guò)程以及使用過(guò)程中進(jìn)行健康檢測(cè)是非常有必要的?，F(xiàn)在的公路一般分三層進(jìn)行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過(guò)程中埋入溫度以及應(yīng)變傳感器可以及時(shí)得到溫度以及應(yīng)變的變化情況，對(duì)公路質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。詳細(xì)了解施工材料的特點(diǎn)以及影響施工質(zhì)量的因素。
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北諾毛細(xì)光纖光柵傳感器基本原理之二，光纖光柵傳感原理
在上一篇《北諾毛細(xì)光纖光柵傳感器基本原理之一，波的反射與疊加》文章中，我們通過(guò)聲波來(lái)類(lèi)比光波，給出了大家了解北京大成永盛科技有限公司生產(chǎn)的北諾毛細(xì)系列無(wú)縫鋼管光纖光柵傳感器基本原理所需的前置知識(shí)——波的反射與疊加（干涉）。今天我們將以此為基礎(chǔ)，介紹光纖光柵傳感器的基本原理。...
2019-05-232
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初相識(shí)，北諾毛細(xì)系列無(wú)縫鋼管光纖光柵傳感器
在上一篇文章《光纖光柵傳感器技術(shù)難點(diǎn)與大成永盛解決方案》中，我們針對(duì)光纖光柵傳感器固有的缺點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)給出了大成永盛的解決方案。我們也在北京大成永盛科技有限公司的官網(wǎng)上給出了我們的產(chǎn)品介紹，我們認(rèn)為，大成永盛所生產(chǎn)的北諾毛細(xì)系列無(wú)縫鋼管光纖光柵傳感器由于采用了更新的材料和結(jié)...
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在上一篇《北諾毛細(xì)光纖光柵傳感器基本原理之二，光纖光柵傳感原理》文章中，我們了解到，光纖光柵傳感器能夠直接測(cè)量的基本物理量包括了應(yīng)力、應(yīng)變和溫度，其根本原因在于傳感器中的光纖光柵柵距（光柵周期）和三個(gè)基本物理參量有直接的聯(lián)系，分別是力（拉力壓力）、長(zhǎng)度（變長(zhǎng)變短）和溫度（受...
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光纖光柵傳感，光纖傳感知識(shí)介紹。
一種堅(jiān)固耐用的新型光纖光柵傳感器
一種新型光纖光柵傳感器在北京大成永盛科技有限公司誕生了，采用不銹鋼管封裝，體積小，常用直徑0.9mm等。測(cè)溫準(zhǔn)確，精度可達(dá)0.1攝氏度。該溫度傳感器可以露天放置在戶(hù)外，堅(jiān)固耐用，耐水防潮，耐油，耐腐蝕，耐高溫，阻燃，抗電磁干擾能力強(qiáng)。該系列溫度傳感器機(jī)械特性非常好，高抗壓，...
2019-07-090
凱哥說(shuō)光傳感
光纖光柵傳感，光纖傳感知識(shí)介紹。
光纖光柵傳感器在電機(jī)測(cè)溫上的應(yīng)用
一家生產(chǎn)氧氣氮?dú)獾墓S，工業(yè)流程比較完備，相關(guān)儀表信號(hào)均接入DCS系統(tǒng)。但電氣設(shè)備本身監(jiān)測(cè)還依靠傳統(tǒng)手段，其中一臺(tái)130kw冷卻水循環(huán)泵電機(jī)軸溫靠傳統(tǒng)溫度計(jì)測(cè)量，采用值班人員到現(xiàn)場(chǎng)讀取的方式進(jìn)行溫度記錄，自動(dòng)化程度較低，響應(yīng)速度非常慢，突發(fā)故障時(shí)，容易造成巨大損失。擬改造為...
2019-07-020
參考資料
1.
賈宏志. 光纖光柵傳感器的理論和技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,2001.
2.
李科. 光纖光柵傳感器的研究[D].太原科技大學(xué),2008.
光纖光柵傳感器的缺點(diǎn)：光纖光柵傳感器技術(shù)難點(diǎn)與大成永盛解決方案
本文從原理上分析了光纖光柵傳感器的缺點(diǎn)，提出了北京大成永盛科技有限公司針對(duì)光纖光柵應(yīng)力傳感器和光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償解決方案，同時(shí)提及了光纖光柵串和準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器。
在上一篇《北諾?毛細(xì)?光纖光柵傳感器基本原理之二，光纖光柵傳感原理》文章中，我們了解到，光纖光柵傳感器能夠直接測(cè)量的基本物理量包括了應(yīng)力、應(yīng)變和溫度，其根本原因在于傳感器中的光纖光柵柵距（光柵周期）和三個(gè)基本物理參量有直接的聯(lián)系，分別是力（拉力壓力）、長(zhǎng)度（變長(zhǎng)變短）和溫度（受熱遇冷）。其中力的變化和溫度變化都是屬于原因，而長(zhǎng)度變化屬于結(jié)果（光纖光柵示意詳見(jiàn)下圖1）。
圖1
以上結(jié)論構(gòu)成了光纖光柵傳感器進(jìn)行傳感的理論基礎(chǔ)，但也帶來(lái)了一個(gè)新的挑戰(zhàn)或者說(shuō)技術(shù)難點(diǎn)（其根本原因也即光纖光柵的固有缺點(diǎn)）。擺在人們面前的問(wèn)題在于，當(dāng)你使用光纖光柵傳感器進(jìn)行傳感檢測(cè)時(shí)，你發(fā)現(xiàn)你所檢測(cè)到的反射光波長(zhǎng)發(fā)生了變化（對(duì)應(yīng)了光纖光柵柵距的變化），你如何確定這種變化是由于力的變化引起的，還是由于溫度的變化引起的？這個(gè)問(wèn)題不解決，你就沒(méi)有辦法確定你所生產(chǎn)的產(chǎn)品是哪一種光纖光柵傳感器（光纖光柵溫度傳感器？光纖光柵應(yīng)力傳感器？還是光纖光柵應(yīng)變傳感器？），也沒(méi)有辦法確定你的光纖光柵傳感器在測(cè)量時(shí)是準(zhǔn)確的。
我們很感謝這個(gè)偉大的時(shí)代，北京大成永盛科技有限公司很幸運(yùn)地站在多個(gè)行業(yè)內(nèi)巨人的肩上，創(chuàng)造性地把現(xiàn)代冶金制管行業(yè)與光纖光柵傳感行業(yè)相結(jié)合，推出了自己的解決方案，基本解決了溫度和應(yīng)力應(yīng)變分離的難題，所形成的產(chǎn)品就是北諾?毛細(xì)?系列光纖光柵傳感器（原理圖及封裝結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2、圖3）。
圖2
圖3
上圖2即為北京大成永盛科技有限公司生產(chǎn)的北諾?毛細(xì)?無(wú)縫鋼管光纖光柵溫度傳感器（01型），我們可以負(fù)責(zé)任地告訴大家，該款光纖光柵溫度傳感器從原理到實(shí)測(cè)結(jié)果均完美地實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)力應(yīng)變的分離（其原理及實(shí)驗(yàn)證明我們將在后續(xù)文章中陸續(xù)給出）。同時(shí)該款產(chǎn)品具有靈敏度高、熱傳導(dǎo)快、準(zhǔn)確度好以及體積小、重量輕、高抗拉、高抗壓、耐高溫、防水防潮、無(wú)可燃物、耐腐蝕等特點(diǎn)，是一款創(chuàng)新型的光纖光柵溫度傳感器。借助于這款產(chǎn)品，我們希望，大成永盛能夠幫助整個(gè)光纖光柵傳感行業(yè)向前邁進(jìn)一小步，實(shí)現(xiàn)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
上圖3為北京大成永盛科技有限公司生產(chǎn)的北諾?毛細(xì)?無(wú)縫鋼管光纖光柵應(yīng)力應(yīng)變傳感器（02型），該款產(chǎn)品雖然未能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力應(yīng)變的分離，但是卻可以通過(guò)和北諾?毛細(xì)?無(wú)縫鋼管光纖光柵溫度傳感器（01型）配套使用解決溫度和應(yīng)力應(yīng)變分離的難題，原理如下圖4所示。
圖4
為了更好的理解上面這一張圖，我們首先要補(bǔ)充一個(gè)光纖光柵的基本知識(shí)：光纖光柵傳感器使用靈活的一個(gè)表現(xiàn)就是可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳感，理論上我們可以在一根傳感器里刻寫(xiě)無(wú)數(shù)個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光柵，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一或多個(gè)物理參量的分布式檢測(cè)（產(chǎn)品對(duì)應(yīng)為北諾?毛細(xì)?準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器）。具體例子詳見(jiàn)下圖5，該圖所示光纖刻寫(xiě)了9個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光柵串，能夠?qū)崿F(xiàn)9個(gè)點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量。
圖5
圖6
（請(qǐng)?jiān)徫译S手拍照有點(diǎn)渣，上圖顯示了一條刻寫(xiě)了8個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光柵串在光頻譜儀上的波長(zhǎng)分布）
接著返回上圖4的例子。我們使用了兩根北諾?毛細(xì)?無(wú)縫鋼管光纖光柵傳感器，傳感器1和傳感器2，兩根傳感器具有不同的波長(zhǎng)。傳感器1對(duì)于溫度和應(yīng)力應(yīng)變都敏感，傳感器2只對(duì)溫度敏感，他們處于同一環(huán)境，有相同的溫度。對(duì)于傳感器1來(lái)說(shuō)，它的波長(zhǎng)變化里既包括了溫度的影響，又包括了應(yīng)力應(yīng)變的影響，但是此時(shí)我們已經(jīng)知道了它的溫度（準(zhǔn)確溫度來(lái)自于傳感器2），我們就可以扣除溫度對(duì)它波長(zhǎng)變化的影響，只剩下應(yīng)力應(yīng)變的影響（計(jì)算原理詳見(jiàn)公式：ΔλＢ ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ）。此時(shí)在這個(gè)傳感器套裝里，它就是一根測(cè)試準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變傳感器（這一計(jì)算過(guò)程被稱(chēng)為光纖光柵傳感器的溫度補(bǔ)償）。
由以上論述可知，北京大成永盛科技有限公司所生產(chǎn)的北諾?毛細(xì)?系列無(wú)縫鋼管光纖光柵傳感器，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)力應(yīng)變的分離，克服了光纖光柵的固有缺點(diǎn)。其核心在于，北諾?毛細(xì)?無(wú)縫鋼管光纖光柵溫度傳感器測(cè)溫準(zhǔn)確，不受應(yīng)力應(yīng)變的影響。大成永盛靠什么做到這一點(diǎn)？其原理和奧秘我們將在下一篇文章中開(kāi)始揭示，敬請(qǐng)期待！
我們的理念是：“北諾?，讓光纖不脆弱！”
聲明：本公司系列產(chǎn)品多包含了包括商標(biāo)和專(zhuān)利在內(nèi)的多項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為推動(dòng)行業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，北諾?毛細(xì)?系列無(wú)縫鋼管光纖光柵傳感器產(chǎn)品價(jià)格適中，鼓勵(lì)大家正規(guī)渠道購(gòu)買(mǎi)。未經(jīng)授權(quán)，請(qǐng)勿仿制！
本文轉(zhuǎn)載自北京大成永盛科技有限公司官網(wǎng)："光纖光柵傳感器技術(shù)難點(diǎn)與大成永盛解決方案"一文,本文內(nèi)容有時(shí)會(huì)有更新和修訂。
光纖光柵傳感器的缺點(diǎn)：光纖光柵傳感器相比一般傳感器具有哪些優(yōu)點(diǎn)
描述
隨著科技信息的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的高新技術(shù)應(yīng)用到生活，并服務(wù)于人們的生活。而傳感器作為智能系統(tǒng)的“感官”，扮演著越來(lái)越重要的角色。只有保證信息準(zhǔn)確無(wú)誤差、穩(wěn)定而不間斷，才能成為保證智能系統(tǒng)連續(xù)有效運(yùn)行的前提。
傳感技術(shù)已被列入國(guó)家高新重點(diǎn)技術(shù)
傳感技術(shù)作為智能系統(tǒng)中的“感官”在不斷推成出新的信息產(chǎn)業(yè)中扮演著越來(lái)越重要的角色，對(duì)外界大量的信息進(jìn)行精確的收集并且不斷的更新保證信息反饋成為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)作的前提。對(duì)于在機(jī)械、電子、測(cè)量、控制等領(lǐng)域，傳感器是必不可少的關(guān)鍵部件。試想如果沒(méi)有傳感器，那么我們所需要的各種檢測(cè)信息從何而來(lái)，這樣一來(lái)支撐現(xiàn)代人類(lèi)文明的科學(xué)技術(shù)就不能得到發(fā)展，整體人類(lèi)社會(huì)也會(huì)因此停滯不前，惟有作為“大腦”的計(jì)算機(jī)技術(shù)和“感官”的傳感器技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展才能促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步。
傳感器已經(jīng)存在于人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，為此，在80年代初期，發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)對(duì)傳感器在科技領(lǐng)域的作用進(jìn)行了新的評(píng)估，美國(guó)的80年代被稱(chēng)為傳感器時(shí)代，同時(shí)把傳感器技術(shù)列為90年代中最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，日本也曾把傳感技術(shù)列為科研領(lǐng)域十大技術(shù)之首，在我國(guó)的“863計(jì)劃”、“科技攻關(guān)”等計(jì)劃中也把傳感器的研究放在重要位置。
一、傳感器的定義
傳感器的定義是：感受并且接受到特定規(guī)律的的某種信號(hào)并且可以將這種信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)的一種裝置。在一般情況下，傳感器由敏感部分以及將相應(yīng)規(guī)律信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)的電子線路組成。光纖傳感器是70年代起伴隨著光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型的傳感器，經(jīng)過(guò)30多年的不斷研究發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，各種各樣種類(lèi)繁多的光纖傳感器被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用到實(shí)際生活當(dāng)中。傳統(tǒng)的傳感器以電信號(hào)為載體，利用導(dǎo)線進(jìn)行信號(hào)傳輸，因此會(huì)受到各種外界壞境的干擾，例如會(huì)受到強(qiáng)磁、高溫、高壓等的影響，而光纖傳感器則以光為傳輸載體，有體積小、重量輕、靈敏度高，抗電磁干擾、電絕緣性能好等特點(diǎn)，利用光信號(hào)傳輸?shù)奶厥庑?，可以適用在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性、高爆炸危險(xiǎn)性的檢測(cè)環(huán)境中，可以對(duì)溫度、壓力、位移等各種待測(cè)量進(jìn)行高精度測(cè)量。
自1970年第一根光纖被制作出來(lái)應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中以來(lái)，檢測(cè)振動(dòng)、壓力、加速度、溫度等待測(cè)量的光纖傳感器相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)。1989年光纖光柵首次被引入做傳感后，引起來(lái)各方面的廣泛關(guān)注，各國(guó)政府都投入了大量的人力、物力、資金對(duì)此進(jìn)行了深入仔細(xì)的研究，光纖光柵作為一個(gè)傳感元器件，它具備一般電傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：
（1）光纖光柵傳感器較普通傳感器在強(qiáng)干擾和強(qiáng)腐蝕的檢測(cè)環(huán)境下具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，更加適合在惡劣的環(huán)境下工作；同時(shí)對(duì)微弱信號(hào)的處理上可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理和長(zhǎng)距離精確傳輸；光纖光柵傳感頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大而且測(cè)量精度和靈敏度高，易于埋入或附著結(jié)構(gòu)體表面，可以實(shí)時(shí)提供結(jié)構(gòu)體安全性等方面的信息。
（2）由于光的波長(zhǎng)是光的一種固有屬性，對(duì)于被檢測(cè)的信息進(jìn)行采用波長(zhǎng)進(jìn)行編碼，其待測(cè)信息不受到光源功率、光纖彎曲以及其他元器件老化等因素的影響，具備較高的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性。
（3）光纖光柵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸較小所以適用范圍很廣，特別針對(duì)一些大型的結(jié)構(gòu)或者智能系統(tǒng)，可以對(duì)其內(nèi)部的溫度、壓力等參量進(jìn)行高分辨率的精準(zhǔn)測(cè)量。
（4）光纖網(wǎng)絡(luò)的具備很強(qiáng)的復(fù)用性，在同一根光纖上可以安裝多個(gè)獨(dú)立的光纖光柵，多個(gè)光柵組成的傳感網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量實(shí)時(shí)的分布式測(cè)量。
光纖光柵傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)經(jīng)過(guò)持續(xù)不斷的發(fā)展已經(jīng)成為了光纖通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。近年來(lái)，人們的研究熱點(diǎn)開(kāi)始從成熟的光纖通信技術(shù)向光纖傳感技術(shù)轉(zhuǎn)移。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和市場(chǎng)廣闊的發(fā)展前景，光纖傳感器飛躍發(fā)展，且展現(xiàn)出極為廣闊的前景。
自80年代起，傳感技術(shù)就已被列入國(guó)家高新重點(diǎn)技術(shù)。其中，光纖光柵更是占據(jù)著非常重要的地位。因我國(guó)在光纖領(lǐng)域研發(fā)時(shí)間不夠長(zhǎng)，加上前期投入資金不足，造成我國(guó)的光纖光柵傳感技術(shù)相對(duì)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。但近年來(lái)，在國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家自然基金以及其他各種專(zhuān)項(xiàng)基金的支持下，國(guó)內(nèi)在光纖光柵傳感領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展。且光纖傳感技術(shù)結(jié)合光纖特有的性質(zhì)，無(wú)論是在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、抗干擾能力還是在價(jià)格成本等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)從而迅速成為傳感領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。
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光纖光柵傳感器的缺點(diǎn)：光纖光柵傳感技術(shù)的基本原理及其優(yōu)缺點(diǎn)
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基本原理
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性：即外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫(xiě)入法在單模光纖的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾光器或反射鏡。
常用的Bragg光纖光柵屬于反射型工作器件，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光（下圖中Ιi）通過(guò)傳輸光纖射入時(shí)，它與光場(chǎng)發(fā)生耦合作用，對(duì)該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個(gè)窄帶光（下圖中Ιr），并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光（下圖中Ιt）則直接透射過(guò)去，在下一個(gè)具有不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵處進(jìn)行反射，多個(gè)光纖光柵陣列形成光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)。
各光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)λ為：
（1）
式中n為纖芯的有效折射率；Λ為纖芯折射率的調(diào)制周期。目前，在結(jié)構(gòu)變形和溫度監(jiān)測(cè)中，普遍采用周期Λ＜1 μm的短周期光纖光柵傳感器，其反射波長(zhǎng)人稱(chēng)為Bragg波長(zhǎng)。根據(jù)式（1），解調(diào)出反射光波長(zhǎng)即可以尋址到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)傳感器。
反射回來(lái)的窄帶光的中心波長(zhǎng)隨著作用于光纖光柵的溫度和應(yīng)變成線性變化，中心波長(zhǎng)的變化量為：
（2）
式中ε為應(yīng)變量；Δt為溫度變化量。由式（2）可知，光纖光柵反射光中心波長(zhǎng)同時(shí)受溫度和應(yīng)變的影響，比較成熟的方法是采用同種溫度環(huán)境下的光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器進(jìn)行克服。
光纖光柵傳感器可以用于應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等物理量的傳感測(cè)量，具有較高的靈敏度和測(cè)量范圍。在光纖若干個(gè)部位寫(xiě)入不同柵距的光纖光柵，就可以同時(shí)測(cè)定若干部位相應(yīng)物理量及其變化，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖傳感。
光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：
1）抗電磁干擾，傳輸距離遠(yuǎn)。
2）多個(gè)不同類(lèi)型的傳感器可以在一條光纖上串接復(fù)用，增加了系統(tǒng)容量。
3）以反射光的中心波長(zhǎng)表征被測(cè)量，系統(tǒng)安裝及長(zhǎng)期使用過(guò)程中無(wú)需定標(biāo)。
4）適合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）系統(tǒng)中長(zhǎng)距離動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變信號(hào)（電壓信號(hào)微弱，易受干擾）的采集。
光纖光柵傳感技術(shù)的缺點(diǎn)在于：
1）光纖光柵直接反映應(yīng)變和溫度耦合的變化，在測(cè)量應(yīng)變時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
2）光纖光柵較適用于測(cè)量基于應(yīng)變和溫度變化的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)物理量（如應(yīng)變、應(yīng)力、溫度、位移、索力、壓力等），不適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)（如振動(dòng)信號(hào)）和 濕度、風(fēng)速等信號(hào)。
3）光纖光柵傳感器和解調(diào)設(shè)備不便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。為減少光纖信號(hào)損耗并避免空氣或灰塵進(jìn)入法蘭盤(pán)導(dǎo)致激光無(wú)法傳輸，一般使用光纖熔接的方式接聯(lián)傳感器，這樣不能滿(mǎn)足在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段經(jīng)常拆換傳感器的需要。
4）現(xiàn)有的解調(diào)設(shè)備往往由工控機(jī)構(gòu)成，工作溫濕度范圍、抗震及耐腐蝕性能受限，不耐惡劣環(huán)境。
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關(guān)于VISN-iFBG-S15光纖光柵解調(diào)儀
VISN-iFBG-S15是適合光纖布拉格光柵（FBG）光學(xué)傳感器的15通道光纖光柵解調(diào)儀。2Hz采樣頻率可以測(cè)量低速變化的溫度、應(yīng)變和壓力等物理參數(shù)。內(nèi)置大功率波長(zhǎng)掃描型激光器，每個(gè)光學(xué)通道具有80nm波長(zhǎng)范圍（1510nm~1590nm），波長(zhǎng)解調(diào)精度達(dá)1pm，可同時(shí)連接16個(gè)FBG傳感器（取決于傳感器波長(zhǎng)范圍）。解調(diào)儀支持GPS同步，便于采集站間同步，適用于橋梁、大壩、建筑物等長(zhǎng)期狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
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