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    別
光纖傳感器
類    型
波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器
分    類
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
?
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，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。
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光纖光柵傳感器分類
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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。
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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。基于光纖光柵技術(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。
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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、傳輸損耗小：可實(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。
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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)水位傳感器專門用于江河、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嚦d，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。現(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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2019-05-232
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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。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)代人類文明的科學(xué)技術(shù)就不能得到發(fā)展，整體人類社會(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)奶厥庑裕梢赃m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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