光學(xué)傳感基礎(chǔ)知識

 

傳統(tǒng)的電傳感器使用傳感器將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)字化和縮放至預(yù)期值。盡管它們無處不在，但這些傳感器具有固有的局限性，并且在某些類型的應(yīng)用中使用電傳感器是不切實(shí)際的，如果不是完全不可能的話。光纖傳感器為這些挑戰(zhàn)提供了出色的解決方案。

 

從根本上說，光纖傳感器的工作方式與電氣傳感器類似，但使用光而不是電和玻璃纖維代替銅線。在電傳感器可以調(diào)節(jié)諸如電流，電阻或電壓的電特性的情況下，光纖傳感器調(diào)制光的一個(gè)或多個(gè)屬性，包括強(qiáng)度，相位，偏振或波長。

 

光學(xué)傳感技術(shù)取決于光纖 - 一種比人類頭發(fā)更薄的玻璃，在其核心內(nèi)傳輸光。該光纖由三個(gè)主要部分組成：芯，包層和緩沖涂層。包層將雜散光反射回核心，確保通過核心傳輸，同時(shí)光線損失最小。這是通過確保芯材料具有比包層更高的折射率來實(shí)現(xiàn)的，從而引起光的完全內(nèi)反射。外部緩沖涂層可保護(hù)光纖免受外部條件和物理損壞。它可以包含許多層，具體取決于所需的堅(jiān)固程度。

 

圖1：典型光纖的橫截面

 

 

盡管存在許多類型的光纖傳感器，但最常用的是光纖布拉格光柵（FBG）。布拉格光柵是折射率的變化，它們以稱為光柵周期的周期性間隔“寫入”光纖的纖芯內(nèi)。當(dāng)輸入光信號照射到FBG上時(shí)，光柵之間的間隔導(dǎo)致每個(gè)光柵的反射相長干涉并反射特定波長的光，稱為布拉格波長（見圖2）。

 

 

圖2：FBG光學(xué)傳感器的操作

 

應(yīng)變和溫度的變化影響FBG的有效折射率（ne）和光柵周期（Λ），這導(dǎo)致根據(jù)下面的等式1的反射布拉格波長（B）的偏移。因此，可以測量波長偏移以確定應(yīng)變和/或溫度的相應(yīng)變化。由于應(yīng)變和溫度都會影響布拉格波長（從而影響測量），因此溫度補(bǔ)償是大溫度或應(yīng)變范圍測試的重要考慮因素。

 

 

FBG可以制造成具有各種光柵周期并因此具有各種布拉格波長，使得同一光纖上的不同F(xiàn)BG傳感器能夠反射獨(dú)特的光波長。這使得每個(gè)波長在光譜范圍內(nèi)彼此可區(qū)分?；谒鼈兏髯缘牟祭癫ㄩL在同一光纖上區(qū)分FBG的過程稱為波分復(fù)用。只要與每次測量相關(guān)的波長偏移不會導(dǎo)致一個(gè)FBG傳感器的布拉格波長跨越另一個(gè)FBG傳感器的布拉格波長，同一光纖上的數(shù)十個(gè)傳感器就可以進(jìn)行獨(dú)立測量。

 

用光學(xué)傳感解決問題

 

任何一直在努力解決噪音過濾，屏蔽，布線問題或傳感器損壞問題的人都可以告訴您，電子傳感器有一些應(yīng)用難以適應(yīng)。使用電子傳感器時(shí)遇到的四個(gè)最棘手的挑戰(zhàn)是在電氣惡劣條件下保持可靠性，抵御惡劣環(huán)境中的退化，使用多個(gè)傳感器經(jīng)濟(jì)地檢測大面積區(qū)域，以及將傳統(tǒng)傳感器安裝到受限空間中。通過使用光纖傳感器而不是電傳感器可以解決這些棘手問題中的每一個(gè)。

 

高電磁干擾和高壓環(huán)境

 

電磁干擾（EMI）是電傳感器系統(tǒng)最常見的測量誤差和故障源之一。在高EMI情況下的電傳感器信號測量，例如近大功率發(fā)電機(jī)，電動機(jī)或其他AC電源，特別容易失真。這些環(huán)境通常包括高壓組件，這些組件可能會損壞甚至破壞傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。過濾和隔離儀器可以在一定程度上降低高EMI和高電壓的風(fēng)險(xiǎn)，但它們具有有限的噪聲抑制和隔離級別。

 

同樣，光纖傳感器由玻璃制成，并且完全不導(dǎo)電且電無源。這使得它們甚至可以抵抗最高水平的EMI，并且完全不受環(huán)境中高壓或電流的影響。例如，您可以將光纖溫度傳感器直接連接到超高功率組件，例如電機(jī)繞組，變壓器和電源線，以便在運(yùn)行期間進(jìn)行高精度熱特性分析。

 

 

推薦閱讀：