光纖光柵傳感器 缺點：光纖光柵傳感器技術(shù)難點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，提出了北京大成永盛科技有限公司針對光纖光柵應(yīng)力傳感器和光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度補償解決方案，同時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）和三個基本物理參量有直接的聯(lián)系，分別是力（拉力壓力）、長度（變長變短）和溫度（受熱遇冷）。其中力的變化和溫度變化都是屬于原因，而長度變化屬于結(jié)果（光纖光柵示意詳見下圖1）。
圖1
以上結(jié)論構(gòu)成了光纖光柵傳感器進行傳感的理論基礎(chǔ)，但也帶來了一個新的挑戰(zhàn)或者說技術(shù)難點（其根本原因也即光纖光柵的固有缺點）。擺在人們面前的問題在于，當(dāng)你使用光纖光柵傳感器進行傳感檢測時，你發(fā)現(xiàn)你所檢測到的反射光波長發(fā)生了變化（對應(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？這個問題不解決，你就沒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？），也沒有辦法確定你的光纖光柵傳感器在測量時是準(zhǔn)確的。
我們很感謝這個偉大的時代，北京大成永盛科技有限公司很幸運地站在多個行業(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測結(jié)果均完美地實現(xiàn)了溫度和應(yīng)力應(yīng)變的分離（其原理及實驗證明我們將在后續(xù)文章中陸續(xù)給出）。同時該款產(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、無可燃物、耐腐蝕等特點，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光纖光柵傳感行業(yè)向前邁進一小步，實現(xiàn)整個行業(yè)的進一步發(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)品雖然未能單獨實現(xiàn)溫度和應(yīng)力應(yīng)變的分離，但是卻可以通過和北諾?毛細(xì)?無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，我們首先要補充一個光纖光柵的基本知識：光纖光柵傳感器使用靈活的一個表現(xiàn)就是可以實現(xiàn)多點傳感，理論上我們可以在一根傳感器里刻寫無數(shù)個不同波長的光纖光柵，實現(xiàn)對同一或多個物理參量的分布式檢測（產(chǎn)品對應(yīng)為北諾?毛細(xì)?準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器）。具體例子詳見下圖5，該圖所示光纖刻寫了9個不同波長的光纖光柵串，能夠?qū)崿F(xiàn)9個點的同時測量。
圖5
圖6
（請原諒我隨手拍照有點渣，上圖顯示了一條刻寫了8個不同波長的光纖光柵串在光頻譜儀上的波長分布）
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。傳感器1對于溫度和應(yīng)力應(yīng)變都敏感，傳感器2只對溫度敏感，他們處于同一環(huán)境，有相同的溫度。對于傳感器1來說，它的波長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，但是此時我們已經(jīng)知道了它的溫度（準(zhǔn)確溫度來自于傳感器2），我們就可以扣除溫度對它波長變化的影響，只剩下應(yīng)力應(yīng)變的影響（計算原理詳見公式：ΔλＢ ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ）。此時在這個傳感器套裝里，它就是一根測試準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變傳感器（這一計算過程被稱為光纖光柵傳感器的溫度補償）。
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)?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器，確實實現(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。其核心在于，北諾?毛細(xì)?無縫鋼管光纖光柵溫度傳感器測溫準(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？其原理和奧秘我們將在下一篇文章中開始揭示，敬請期待！
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)的多項知識產(chǎn)權(quán)，為推動行業(yè)發(fā)展和技術(shù)進步，北諾?毛細(xì)?系列無縫鋼管光纖光柵傳感器產(chǎn)品價格適中，鼓勵大家正規(guī)渠道購買。未經(jīng)授權(quán)，請勿仿制！
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)難點與大成永盛解決方案"一文,本文內(nèi)容有時會有更新和修訂。
光纖光柵傳感器 缺點：光纖光柵傳感器的優(yōu)點
光纖光柵傳感器（FiberGraTIngSensor）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。
光纖光柵傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖所示，包括：寬譜光源（如SLED或ASE）將有一定帶寬的光通過環(huán)行器入射到光纖光柵中，由于光纖光柵的波長選擇性作用，符合條件的光被反射回來，再通過環(huán)行器送入解調(diào)裝置測出光纖光柵的反射波長變化。當(dāng)光纖光柵做探頭測量外界的溫度、壓力或應(yīng)力時，光柵自身的柵距發(fā)生變化，從而引起反射波長的變化，解調(diào)裝置即通過檢測波長的變化推導(dǎo)出外界溫度或應(yīng)變。
光纖光柵傳感器優(yōu)點：
（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)墓庑盘柌皇茈姶鸥蓴_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，而且無需電源驅(qū)動，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?。嚎蓪崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測。
（6）傳輸容量大：可實現(xiàn)多點分布式測量。
（7）測量范圍廣：可測量溫度、壓強、應(yīng)變、應(yīng)力、液位、位移、加速度等。
光纖光柵傳感器憑借自身的優(yōu)點在長期監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，光纖傳感器技術(shù)發(fā)展日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在各領(lǐng)域中的應(yīng)用很多展現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，極有可能替代傳統(tǒng)的傳感器。在光纖傳感方面，光纖光柵技術(shù)又為光纖傳感技術(shù)的發(fā)展開拓了新的領(lǐng)域，光纖光柵傳感器質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾，具有良好的長期穩(wěn)定性和耐久性。正是由于光纖光柵傳感器具有上述優(yōu)點，因此在長期監(jiān)測項目中光纖光柵傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景和實際意義。
光柵傳感器 缺點：光纖光柵傳感器技術(shù)難點與大成永盛解決方案 第2張" title="光纖光柵傳感器 缺點：光纖光柵傳感器技術(shù)難點與大成永盛解決方案 第2張-傳感器知識網(wǎng)"/>
光纖光柵傳感器 缺點：光纖光柵傳感器相比一般傳感器具有哪些優(yōu)點
描述
隨著科技信息的迅猛發(fā)展，越來越多的高新技術(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”，扮演著越來越重要的角色。只有保證信息準(zhǔn)確無誤差、穩(wěn)定而不間斷，才能成為保證智能系統(tǒng)連續(xù)有效運行的前提。
傳感技術(shù)已被列入國家高新重點技術(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)中扮演著越來越重要的角色，對外界大量的信息進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)定運作的前提。對于在機械、電子、測量、控制等領(lǐng)域，傳感器是必不可少的關(guān)鍵部件。試想如果沒有傳感器，那么我們所需要的各種檢測信息從何而來，這樣一來支撐現(xiàn)代人類文明的科學(xué)技術(shù)就不能得到發(fā)展，整體人類社會也會因此停滯不前，惟有作為“大腦”的計算機技術(shù)和“感官”的傳感器技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展才能促進科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進步。
傳感器已經(jīng)存在于人類生活的各個領(lǐng)域，為此，在80年代初期，發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)對傳感器在科技領(lǐng)域的作用進行了新的評估，美國的80年代被稱為傳感器時代，同時把傳感器技術(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，在我國的“863計劃”、“科技攻關(guān)”等計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)律的的某種信號并且可以將這種信號轉(zhuǎn)換為可用信號的一種裝置。在一般情況下，傳感器由敏感部分以及將相應(yīng)規(guī)律信號轉(zhuǎn)換為可用信號的電子線路組成。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)展起來的一種新型的傳感器，經(jīng)過30多年的不斷研究發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進步，各種各樣種類繁多的光纖傳感器被開發(fā)出來并應(yīng)用到實際生活當(dāng)中。傳統(tǒng)的傳感器以電信號為載體，利用導(dǎo)線進行信號傳輸，因此會受到各種外界壞境的干擾，例如會受到強磁、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，利用光信號傳輸?shù)奶厥庑?，可以適用在高溫、高壓、強腐蝕性、高爆炸危險性的檢測環(huán)境中，可以對溫度、壓力、位移等各種待測量進行高精度測量。
自1970年第一根光纖被制作出來應(yīng)用到實際工程當(dāng)中以來，檢測振動、壓力、加速度、溫度等待測量的光纖傳感器相繼被開發(fā)出來。1989年光纖光柵首次被引入做傳感后，引起來各方面的廣泛關(guān)注，各國政府都投入了大量的人力、物力、資金對此進行了深入仔細(xì)的研究，光纖光柵作為一個傳感元器件，它具備一般電傳感器無法比擬的優(yōu)點：
（1）光纖光柵傳感器較普通傳感器在強干擾和強腐蝕的檢測環(huán)境下具有無可比擬的優(yōu)勢，更加適合在惡劣的環(huán)境下工作；同時對微弱信號的處理上可以實現(xiàn)實時處理和長距離精確傳輸；光纖光柵傳感頻帶寬、動態(tài)范圍大而且測量精度和靈敏度高，易于埋入或附著結(jié)構(gòu)體表面，可以實時提供結(jié)構(gòu)體安全性等方面的信息。
（2）由于光的波長是光的一種固有屬性，對于被檢測的信息進行采用波長進行編碼，其待測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)簡單，尺寸較小所以適用范圍很廣，特別針對一些大型的結(jié)構(gòu)或者智能系統(tǒng)，可以對其內(nèi)部的溫度、壓力等參量進行高分辨率的精準(zhǔn)測量。
（4）光纖網(wǎng)絡(luò)的具備很強的復(fù)用性，在同一根光纖上可以安裝多個獨立的光纖光柵，多個光柵組成的傳感網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對待測量實時的分布式測量。
光纖光柵傳感器以其獨特的優(yōu)勢經(jīng)過持續(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，人們的研究熱點開始從成熟的光纖通信技術(shù)向光纖傳感技術(shù)轉(zhuǎn)移。由于其獨特的優(yōu)點和市場廣闊的發(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)就已被列入國家高新重點技術(shù)。其中，光纖光柵更是占據(jù)著非常重要的地位。因我國在光纖領(lǐng)域研發(fā)時間不夠長，加上前期投入資金不足，造成我國的光纖光柵傳感技術(shù)相對落后于發(fā)達(dá)國家。但近年來，在國家863計劃、國家自然基金以及其他各種專項基金的支持下，國內(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)，無論是在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、抗干擾能力還是在價格成本等方面具有較大的優(yōu)勢從而迅速成為傳感領(lǐng)域研究的焦點。
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光纖光柵傳感器 缺點：光纖光柵傳感技術(shù)的基本原理及其優(yōu)缺點
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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，用紫外激光直接寫入法在單模光纖的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個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）通過傳輸光纖射入時，它與光場發(fā)生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光（下圖中Ιr），并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光（下圖中Ιt）則直接透射過去，在下一個具有不同中心波長的光纖光柵處進行反射，多個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，其反射波長人稱為Bragg波長。根據(jù)式（1），解調(diào)出反射光波長即可以尋址到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)中每個傳感器。
反射回來的窄帶光的中心波長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同時受溫度和應(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償傳感器進行克服。
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量，具有較高的靈敏度和測量范圍。在光纖若干個部位寫入不同柵距的光纖光柵，就可以同時測定若干部位相應(yīng)物理量及其變化，實現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖傳感。
光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)點在于：
1）抗電磁干擾，傳輸距離遠(yuǎn)。
2）多個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表征被測量，系統(tǒng)安裝及長期使用過程中無需定標(biāo)。
4）適合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）系統(tǒng)中長距離動靜態(tài)應(yīng)變信號（電壓信號微弱，易受干擾）的采集。
光纖光柵傳感技術(shù)的缺點在于：
1）光纖光柵直接反映應(yīng)變和溫度耦合的變化，在測量應(yīng)變時，必須進行溫度補償。
2）光纖光柵較適用于測量基于應(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），不適用于測量動態(tài)信號（如振動信號）和 濕度、風(fēng)速等信號。
3）光纖光柵傳感器和解調(diào)設(shè)備不便于現(xiàn)場調(diào)試。為減少光纖信號損耗并避免空氣或灰塵進入法蘭盤導(dǎo)致激光無法傳輸，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)置大功率波長掃描型激光器，每個光學(xué)通道具有80nm波長范圍（1510nm~1590nm），波長解調(diào)精度達(dá)1pm，可同時連接16個FBG傳感器（取決于傳感器波長范圍）。解調(diào)儀支持GPS同步，便于采集站間同步，適用于橋梁、大壩、建筑物等長期狀態(tài)監(jiān)測。
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