光學(xué)傳感基礎知識

 

傳統的電傳感器使用傳感器將物理現象轉換為電信號，然后通過(guò)數據采集系統對其進(jìn)行調節，數字化和縮放至預期值。盡管它們無(wú)處不在，但這些傳感器具有固有的局限性，并且在某些類(lèi)型的應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(huà)。光纖傳感器為這些挑戰提供了出色的解決方案。

 

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

 

光學(xué)傳感技術(shù)取決于光纖 - 一種比人類(lèi)頭發(fā)更薄的玻璃，在其核心內傳輸光。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(guò)核心傳輸，同時(shí)光線(xiàn)損失最小。這是通過(guò)確保芯材料具有比包層更高的折射率來(lái)實(shí)現的，從而引起光的完全內反射。外部緩沖涂層可保護光纖免受外部條件和物理?yè)p壞。它可以包含許多層，具體取決于所需的堅固程度。

 

圖1：典型光纖的橫截面

 

 

盡管存在許多類(lèi)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(chēng)為光柵周期的周期性間隔“寫(xiě)入”光纖的纖芯內。當輸入光信號照射到FBG上時(shí)，光柵之間的間隔導致每個(gè)光柵的反射相長(cháng)干涉并反射特定波長(cháng)的光，稱(chēng)為布拉格波長(cháng)（見(jiàn)圖2）。

 

 

圖2：FBG光學(xué)傳感器的操作

 

應變和溫度的變化影響FBG的有效折射率（ne）和光柵周期（Λ），這導致根據下面的等式1的反射布拉格波長(cháng)（B）的偏移。因此，可以測量波長(cháng)偏移以確定應變和/或溫度的相應變化。由于應變和溫度都會(huì )影響布拉格波長(cháng)（從而影響測量），因此溫度補償是大溫度或應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(cháng)，使得同一光纖上的不同FBG傳感器能夠反射獨特的光波長(cháng)。這使得每個(gè)波長(cháng)在光譜范圍內彼此可區分?；谒鼈兏髯缘牟祭癫ㄩL(cháng)在同一光纖上區分FBG的過(guò)程稱(chēng)為波分復用。只要與每次測量相關(guān)的波長(cháng)偏移不會(huì )導致一個(gè)FBG傳感器的布拉格波長(cháng)跨越另一個(gè)FBG傳感器的布拉格波長(cháng)，同一光纖上的數十個(gè)傳感器就可以進(jìn)行獨立測量。

 

用光學(xué)傳感解決問(wèn)題

 

任何一直在努力解決噪音過(guò)濾，屏蔽，布線(xiàn)問(wèn)題或傳感器損壞問(wèn)題的人都可以告訴您，電子傳感器有一些應用難以適應。使用電子傳感器時(shí)遇到的四個(gè)最棘手的挑戰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)濟地檢測大面積區域，以及將傳統傳感器安裝到受限空間中。通過(guò)使用光纖傳感器而不是電傳感器可以解決這些棘手問(wèn)題中的每一個(gè)。

 

高電磁干擾和高壓環(huán)境

 

電磁干擾（EMI）是電傳感器系統最常見(jiàn)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，電動(dòng)機或其他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(huì )損壞甚至破壞傳統的傳感器系統。過(guò)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，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，并且完全不導電且電無(wú)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，例如電機繞組，變壓器和電源線(xiàn)，以便在運行期間進(jìn)行高精度熱特性分析。

 

 

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