光纤光栅传感器的分类以及特点

光纤光栅传感器属于光电传感器的一种。光电传感器主要根据光纤光栅传感器的全过程获取传感器信息内容,根据外部物理参数调整光纤布拉格波长。它是一种光学波长调节光电传感器。下面,我们将详细介绍光纤光栅传感器的基本原理和应用。

由于光纤光栅和光纤线路之间的纯自然兼容模式,很容易将几个光纤光栅串联起来形成一个光纤光栅阵列,完成一个准分布式系统传感器。此外,光纤光栅具有一般光纤线路的诸多优点,其自身的传感器数据信号为光波长调制,可以精确测量数据信号不会受到灯源波动的影响,光纤线路的弯曲损耗不会受到灯源输出功率波动和系统软件损耗的伤害等特性。因此,光纤光栅在传感器行业的应用引起了世界各地的相关专家和学者的关注。自从1989年莫雷等人首次对光纤光栅的应变力和温度传感器特性进行科学研究以来,光纤光栅传感器的主要用途不断扩大,现在每个人都逐渐将其应用于各种标量的精确测量,制作了各种传感器。

一、光纤光栅传感器的分类:

关键传感器包括光纤光栅应变力传感器、温度传感器、角位移传感器、液位传感器等。

(1)光纤光栅应变力传感器及其基本原理:这种传感器是工程项目行业中应用最广泛、技术最完善的光电传感器。应变力会立即损害光纤光栅的光波长漂移。当办公环境好或者被测结构指定一个小传感器时,大家会马上把裸露的光纤光栅作为应变力传感器贴在被测结构表面或者铺在结构内部。光纤光栅(FBG)在极端的办公环境中非常敏感,容易被破坏,因此在应用前必须进行封装。目前常见的封装方式的关键是基板式、管型和根据管型的两面进行夹持式。

(2)光纤光栅温度传感器及其基本原理:温度是由国际单位制衍生出来的基本物理量之一,是工农业制造和科学实验中必须精确测量和操纵的基本参数,是与每个人日常生活密切相关的关键标量。目前比较常见的电温度传感器主要有热电阻温度传感器和温度传感器。与传统传感器相比,光纤温度传感器具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射、激光路径灵活、监控方便等优点。根据光纤光栅的技术温度传感器,选择光波长编号技术,消除了光源输出功率波动和系统软件损耗的危害,适合长期检测,另外,由多个光纤光栅组成的温度传感器系统软件,只需选择一根光缆,即可完成准分布式系统的精确测量。温度也是直接影响光纤光栅光波长转换的一个重要因素。人们经常立即使用裸露的光纤光栅作为温度传感器。与光纤光栅应变力传感器一样,光纤光栅温度传感器也必须封装。包装技术的关键功能是维护和灵敏度增强。我们期望光纤光栅具有强冲击韧性和长使用寿命。此外,我们还期望在光纤传感中根据合适的封装技术提高光纤光栅对温度的响应灵敏度。一般光纤光栅的温度灵敏度只有0.010nm/℃左右,所以对于工作光波长为1550nm的光纤光栅,100℃温度范围内光波长转换的精确测量只有lnm。使用lpm屏幕分辨率的编码器/解码器进行调制解调可以获得较高的温度屏幕分辨率,但如果使用0.06nm屏幕分辨率的光谱仪进行精确测量,由于机械设备的限制,其屏幕分辨率只有6度,远远不是具体精确测量所必需的。目前常用的封装方式有基板封装、管状封装和聚合物封装。

(3)光纤光栅角位移传感器及其基本原理:科研人员对利用光纤布拉格光栅进行位移测量进行了科学研究。目前这项科研是基于精确测量被夹梁表面的应变力,然后计算被夹梁的竖向变形,即被夹梁顶部的竖向位移。这种“角位移传感器”不是真正的角位移传感器。目前这种传感器已经用于具体的工程项目,国内也有商用产品。

(4)光纤光栅液位传感器的检测及其抵抗拉力或工作压力的基本原理也是检测的关键内容的一部分,如梁桥钢索的整体索力、高纬度深海服务平台冰的工作压力、土层的工作压力、路面的水压力等。哈尔滨工业大学欧金平先后研制设计了光纤光栅钢缆工作压环和光纤光栅冰位传感器,英国海军研究所研制设计了用于检测路内荷载情况的光纤光栅土位传感器。而且,世界各国都在逐步开展油气井光纤光栅液位传感器的科研工作。

除了以上详细介绍的光纤光栅传感器外,光纤光栅科研人员和传感器设计人员还根据光纤光栅传感器的基本原理设计了光纤光栅引伸仪、光纤光栅折射率仪、光纤光栅湿度测量仪、光纤光栅倾角仪、光纤光栅通信管等。此外,根据光纤光栅应变力传感器,我们制作了能够准确测量道路货物状况的运输仪表,以及能够准确测量公路工程建设全过程中的应变浸出力的应变仪。

二、光纤光栅传感器的特点。

(1)抗干扰信号:一般情况下,电磁波辐射的频率远低于光波的频率,所以 光纤线路中传输的光信号如果不点亮,不会受到干扰信号的伤害。

(2)绝缘特性好,可以信赖:光纤线材本身由电解介质组成,不需要开关电源驱动器,适合石油、天然气、化工厂等易燃材料的生产制造。

(3)耐腐蚀性和稳定的有机化学特性:由于制作光纤的材料石英具有非常高的有机化学可靠性,因此光电传感器适合在更极端的自然环境中应用。

(4)体积小,重量轻,几何形状塑料。

(5)传输损耗低:可完成远程遥控检测。

(6)传输量大:可以完成分布式系统更精确的测量。

(7)精确测量覆盖面广:可测量温度、气压、应变力、地应力、总流量、水流、电流、工作电压、液位计、液体浓度值、成分等。

三、光纤光栅传感器的应用自1989年英国莫雷等人首次开始对光纤布拉格光栅应变力和温度传感器进行科学研究以来,全世界都给予了高度重视,并进行了广泛的应用研究。短短10多年间,光纤布拉格光栅已经成为传感器行业发展趋势较快的技术,并已成功应用于航空航天、建筑、高分子材料、石油化工设备等多个行业。




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