光纖傳感器的特點(diǎn)有哪些
在工程應(yīng)用中和科學(xué)研究中,溫度都是一個(gè)非常重要參考量,占有舉足輕重的地位,傳統(tǒng)的溫度傳感器以熱電偶、半導(dǎo)體及鉑合金為主,它們的測量原理簡單成本較低,因而在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛使用。與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比,光纖溫度傳感器是利用一些物質(zhì)吸收的光譜會隨著溫度的變化而變化,再分析光纖傳輸?shù)墓庾V實(shí)時(shí)得測量溫度變化情況,它的測量精度較高,并且靈敏度實(shí)時(shí)可調(diào)。
光纖傳感器相對于其他傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、不受電磁干擾、耐腐蝕的特點(diǎn),使得光纖傳感器的應(yīng)用范圍較廣,涉及到國防以及國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和人們的日常生活。光纖溫度傳感器種類很多,主要有光纖光柵溫度傳感器、光纖FabryPerot干涉式溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、拉曼光纖溫度傳感器等。
光纖傳感器的特點(diǎn)和優(yōu)勢
光纖傳感器是基于光纖的設(shè)備,用于檢測一些數(shù)量,通常是溫度或機(jī)械應(yīng)變,但有時(shí)也包括位移,振動(dòng),壓力,加速度,旋轉(zhuǎn)(使用基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)陀螺儀測量)或化學(xué)物質(zhì)的濃度。這種裝置的一般原理是來自激光器(通常是單頻?光纖激光器)或來自超發(fā)光源的光通過光纖發(fā)送,在光纖或一個(gè)或多個(gè)光纖布拉格中經(jīng)歷其參數(shù)的細(xì)微變化光柵,然后到達(dá)測量這些變化的探測器裝置。
一個(gè)區(qū)分內(nèi)在和外在的傳感器。固有傳感器是光纖本身(可能是修改形式,例如包含布拉格光柵)作為傳感器的傳感器。外部傳感器僅使用光纖將光傳輸?shù)綄?shí)際傳感器或從實(shí)際傳感器傳輸光。
許多光纖傳感器基于單根光纖,但其他光纖傳感器則采用光纖束制成。例如,存在外部傳感器,其中一些照明光通過束的一些光纖發(fā)送到樣本,并且反射光或用過的熒光通過其他光纖發(fā)回。
與其他類型的傳感器相比,光纖傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn):
- 它們由電絕緣材料(不需要電纜)組成,這使得它們可以用于例如高壓環(huán)境中。
- 它們可以安全地用于爆炸性環(huán)境中,因?yàn)榧词乖诔霈F(xiàn)缺陷的情況下也不存在電火花的風(fēng)險(xiǎn)。
- 它們不受電磁干擾(EMI)的影響,即使是附近的雷擊,也不會對其他設(shè)備造成電擊。
- 它們的材料可以是化學(xué)被動(dòng)的,即不會污染其周圍環(huán)境并且不會受到腐蝕。
- 它們具有非常寬的工作溫度范圍(比許多電子設(shè)備可能的范圍寬得多)。
- 它們具有多路復(fù)用功能:單個(gè)光纖線路中的多個(gè)傳感器可以通過單個(gè)光源進(jìn)行查詢。
布拉格光柵傳感器
光纖傳感器通?;诠饫w布拉格光柵。許多光纖傳感器的基本原理是光纖布拉格光柵的布拉格波長(即最大反射波長)不僅取決于布拉格光柵周期,還取決于溫度和機(jī)械應(yīng)變。
對于基于二氧化硅纖維的光學(xué)應(yīng)變傳感器,布拉格波長對應(yīng)變的分?jǐn)?shù)響應(yīng)比應(yīng)變本身小約20%,因?yàn)閼?yīng)變的直接影響在某種程度上通過折射率的降低而降低。溫度效應(yīng)接近單獨(dú)熱膨脹所預(yù)期的溫度效應(yīng)。應(yīng)變和溫度的影響可以通過各種技術(shù)來區(qū)分(例如,通過使用不受應(yīng)變影響的參考光柵,或者通過組合不同類型的光纖光柵),從而同時(shí)獲得兩個(gè)量。
對于純應(yīng)變傳感,分辨率可以是幾μs的范圍(即,相對長度變化幾倍10?-6),并且精度可能不會低得多。對于動(dòng)態(tài)測量(例如聲學(xué)現(xiàn)象),可以實(shí)現(xiàn)在1Hz帶寬內(nèi)優(yōu)于1nε的靈敏度。
還有布拉格光柵激光傳感器,其中實(shí)現(xiàn)了光纖激光器,由兩個(gè)光柵和其間的稀土摻雜光纖組成?;蛘?,另一側(cè)可以有一個(gè)FBG和一個(gè)寬帶反射器。當(dāng)提供泵浦光時(shí),這種裝置產(chǎn)生波長接近布拉格波長的輸出。
準(zhǔn)分布式傳感
單根光纖可以包含許多串聯(lián)的光柵傳感器(見上文),以監(jiān)測沿整個(gè)光纖的溫度和應(yīng)變分布。這稱為準(zhǔn)分布式傳感。有不同的技術(shù)來解決單個(gè)光柵(以及沿光纖的某些位置):
- 在稱為波分復(fù)用(WDM)或光頻域反射計(jì)(OFDR)的一種技術(shù)中,光柵具有略微不同的布拉格波長。甲波長可調(diào)?激光器中的詢問器單元可以被調(diào)諧到屬于特定的光柵波長,和最大的波長的反射率表示應(yīng)變或溫度的影響,例如?;蛘?,寬帶光源(例如,超發(fā)光源)可以與波長掃描光電探測器(例如,基于光纖Fabry-Pérot)或基于CCD的光譜儀一起使用。。在任何情況下,光柵的最大數(shù)量通常在10和50之間,受光源的調(diào)諧范圍或帶寬和每個(gè)光纖光柵所需的波長間隔的限制。
- 另一種稱為時(shí)分多路復(fù)用(TDM)的技術(shù)使用相同的弱反射光柵,用短光脈沖進(jìn)行詢問。然后通過它們的到達(dá)時(shí)間來區(qū)分來自不同光柵的反射。時(shí)分復(fù)用通常與波分復(fù)用相結(jié)合,以便將不同信道的數(shù)量乘以數(shù)百甚至數(shù)千。
- 光學(xué)開關(guān)允許人們在不同的光纖線路之間進(jìn)行選擇,進(jìn)一步增加可能的傳感器數(shù)量。
分布式傳感
其他光纖傳感器不使用光纖布拉格光柵作為傳感器,而是使用光纖本身。然后,傳感原理可以基于瑞利散射,拉曼散射或布里淵散射。例如,光時(shí)域反射計(jì)是一種使用脈沖探測信號可以定位弱反射的方法。例如,還可以利用布里淵頻移的溫度或應(yīng)變依賴性。
在某些情況下,測量的量是整個(gè)纖維長度的平均值。對于某些溫度傳感器而言,情況也是如此,但對于用作陀螺儀的Sagnac干涉儀也是如此。在其他情況下,測量位置相關(guān)的量(例如溫度或應(yīng)變)。這稱為分布式傳感。
有關(guān)更多詳細(xì)信息,請參閱光學(xué)溫度傳感器和光學(xué)應(yīng)變傳感器的文章
其他方法
除了上述方法之外,還有許多替代技術(shù)。一些例子是:
- 光纖布拉格光柵可用于干涉光纖傳感器,其中它們僅用作反射器,并且測量的相移由它們之間的光纖跨距產(chǎn)生。
- 存在布拉格光柵激光傳感器,其中傳感器光柵形成光纖激光?諧振器的端鏡,其包含例如一些摻鉺光纖,其通過光纖線接收一些980nm泵浦光。布拉格波長取決于例如溫度或應(yīng)變,決定激光發(fā)射波長。這種方法具有許多進(jìn)一步的變化,由于這種光纖激光器的線寬小而具有非常高的分辨率,并且具有非常高的靈敏度。
- 在某些情況下,成對的布拉格光柵被用作光纖法布里 – 珀羅干涉儀,它可以對外部影響做出特別敏感的反應(yīng)。法布里 – 珀羅干涉儀也可以用其他方法制造,例如在光纖中具有可變的氣隙。
- 長周期光纖光柵對于多參數(shù)傳感(例如溫度和應(yīng)變)特別有用,并且對于對溫度變化具有非常低靈敏度的應(yīng)變傳感也是如此。
應(yīng)用
即使經(jīng)過多年的發(fā)展,光纖傳感器仍未取得巨大的商業(yè)成功,因?yàn)榧词顾鼈兙哂心承┚窒扌裕搽y以取代已經(jīng)成熟的技術(shù)。然而,對于某些應(yīng)用領(lǐng)域,光纖傳感器越來越被認(rèn)為是一種具有非常有趣可能性的技術(shù)。這尤其適用于惡劣環(huán)境,例如高壓和高功率機(jī)械或微波爐中的傳感。布拉格光柵傳感器還可用于監(jiān)測例如飛機(jī)機(jī)翼,風(fēng)力渦輪機(jī),橋梁,大型水壩,油井和管道中的狀況。帶有集成光纖傳感器的建筑有時(shí)被稱為“智能結(jié)構(gòu)”;