光纖光柵傳感器 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(jìn)行傳感的理論基礎(chǔ)，但也帶來了一個(gè)新的挑戰(zhàn)或者說技術(shù)難點(diǎn)（其根本原因也即光纖光柵的固有缺點(diǎn)）。擺在人們面前的問題在于，當(dāng)你使用光纖光柵傳感器進(jìn)行傳感檢測時(shí)，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(gè)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(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(shí)測結(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(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無數(shù)個(gè)不同波長的光纖光柵，實(shí)現(xiàn)對同一或多個(gè)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(gè)不同波長的光纖光柵串，能夠?qū)崿F(xiàn)9個(gè)點(diǎn)的同時(shí)測量。
圖5
圖6
（請?jiān)徫译S手拍照有點(diǎn)渣，上圖顯示了一條刻寫了8個(gè)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(shí)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(jì)算原理詳見公式：ΔλＢ ＝λＢ（１－Ｐｅ）Δε＋λＢ（αｆ－ξ）ΔＴ）。此時(shí)在這個(gè)傳感器套裝里，它就是一根測試準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變傳感器（這一計(jì)算過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(diǎn)？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(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(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 缺點(diǎn)：光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)
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(shí)，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(diǎn)：
（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。
（6）傳輸容量大：可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測量。
（7）測量范圍廣：可測量溫度、壓強(qiáng)、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(diǎn)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(diǎn)，因此在長期監(jiān)測項(xiàng)目中光纖光柵傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。
光柵傳感器 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 第2張" title="光纖光柵傳感器 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 第2張-傳感器知識(shí)網(wǎng)"/>
光纖光柵傳感器 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(yùn)行的前提。
傳感技術(shù)已被列入國家高新重點(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)中扮演著越來越重要的角色，對外界大量的信息進(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。對于在機(jī)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(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)國家就已經(jīng)對傳感器在科技領(lǐng)域的作用進(jìn)行了新的評估，美國的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(jìn)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(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)性的檢測環(huán)境中，可以對溫度、壓力、位移等各種待測量進(jìn)行高精度測量。
自1970年第一根光纖被制作出來應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中以來，檢測振動(dòng)、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(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(shí)對微弱信號(hào)的處理上可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理和長距離精確傳輸；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）由于光的波長是光的一種固有屬性，對于被檢測的信息進(jìn)行采用波長進(jìn)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(jìn)行高分辨率的精準(zhǔn)測量。
（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)對待測量實(shí)時(shí)的分布式測量。
光纖光柵傳感器以其獨(dú)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(diǎn)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)技術(shù)。其中，光纖光柵更是占據(jù)著非常重要的地位。因我國在光纖領(lǐng)域研發(fā)時(shí)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(jì)劃、國家自然基金以及其他各種專項(xiàng)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(jià)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(diǎn)。
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光纖光柵傳感器 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）通過傳輸光纖射入時(shí)，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(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）則直接透射過去，在下一個(gè)具有不同中心波長的光纖光柵處進(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(gè)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(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量，具有較高的靈敏度和測量范圍。在光纖若干個(gè)部位寫入不同柵距的光纖光柵，就可以同時(shí)測定若干部位相應(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(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(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(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(gè)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(shí)連接16個(gè)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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