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光纖光柵傳感器缺點(diǎn)：光纖光柵優(yōu)缺點(diǎn)
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光纖光柵優(yōu)缺點(diǎn)
與普通機(jī)械、電子類傳感器，光纖傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1． 抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低很多，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(wú)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． 難腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定：由于制作光纖的材料－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(cè)。
6． 傳輸容量大：可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。
7． 測(cè)量范圍廣：可測(cè)量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。
8． 光柵的長(zhǎng)度小，只有毫米級(jí)，測(cè)量值空間分辨率高。
9． 輸出線性范圍寬，在微應(yīng)變范圍內(nèi)波長(zhǎng)移動(dòng)與應(yīng)變有良好的線性關(guān)系，頻帶寬，信噪比高。
基于土木工程智能監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，對(duì)不同傳感材料進(jìn)行定性比較，如表1所示：
綜合比較這些智能傳感元件的各項(xiàng)指標(biāo)，可以看出光纖傳感器是土木工程健康監(jiān)測(cè)的最佳選擇。
與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比，波長(zhǎng)調(diào)制型的光纖光柵傳感器具有許多光纖傳感器所不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：
1． 抗干擾能力強(qiáng)：這一方面是因?yàn)槠胀▊鬏敼饫w不會(huì)影響光波的頻率特性（忽略光纖的非線性效應(yīng)）；另一方面光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強(qiáng)起伏引起的干擾，例
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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(guò)傳輸光纖射入時(shí)，它與光場(chǎng)發(fā)生耦合作用，對(duì)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(guò)去，在下一個(gè)具有不同中心波長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)人稱為Bragg波長(zhǎng)。根據(jù)式（1），解調(diào)出反射光波長(zhǎng)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(lái)的窄帶光的中心波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)量，具有較高的靈敏度和測(cè)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(cè)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(zhǎng)表征被測(cè)量，系統(tǒng)安裝及長(zhǎng)期使用過(guò)程中無(wú)需定標(biāo)。
4）適合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）系統(tǒng)中長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(wú)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(chǎng)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(cè)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(zhǎng)掃描型激光器，每個(gè)光學(xué)通道具有80nm波長(zhǎng)范圍（1510nm~1590nm），波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)期狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
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光纖光柵傳感器缺點(diǎn)：光纖光柵傳感方式的特征及優(yōu)點(diǎn)論文
光纖光柵傳感方式的特征及優(yōu)點(diǎn)論文
1.引言
在對(duì)港口機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)中，主要有基于電阻應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法和基于光纖光柵傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法，其配套設(shè)備、數(shù)據(jù)采集原理、系統(tǒng)框架都存在巨大的差異。
2.電測(cè)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成
應(yīng)變電測(cè)法的測(cè)量系統(tǒng)通常由應(yīng)變片、應(yīng)變儀、記錄儀及計(jì)算分析設(shè)備等部分組成。它的基本原理是:將應(yīng)變片按構(gòu)件的受力狀況，合理的固定在被測(cè)構(gòu)件表面，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的電阻值就發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)電阻應(yīng)變儀將這種電阻值的變化測(cè)量出來(lái)，并換算成應(yīng)變值或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號(hào)(電流或電壓)，用記錄儀器記錄此電信號(hào)，再作分析與處理。也可用分析設(shè)備或計(jì)算機(jī)按預(yù)定的要求直接接受模擬電信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到應(yīng)力、應(yīng)變值或其他物理量。基于電阻應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的港機(jī)金屬結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本框架圖描述如下：
3.光纖光柵式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成
光纖光柵式結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備通常包括以下幾類:①光纖光柵應(yīng)變傳感器;②數(shù)據(jù)接收器;③光纖光柵解調(diào)器;④工控機(jī)(數(shù)據(jù)分析系統(tǒng));⑤無(wú)線局域網(wǎng)+遠(yuǎn)程主機(jī)等(如果需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，則還需要在采集器中集成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊)。綜合看來(lái)，基于光纖光柵傳感技術(shù)的港機(jī)金屬監(jiān)測(cè)方法系統(tǒng)一般框架圖可以描述如下:此系統(tǒng)中，光纖光柵傳感器直接埋入或粘貼在結(jié)構(gòu)的表面，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)的在線全程信號(hào)采集(其中包括用于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位健康狀傳感器和用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的傳感器)，在結(jié)構(gòu)上合理布置的。再用多種復(fù)雜技術(shù)(時(shí)分，頻分和波分)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接傳輸。從重大工程結(jié)構(gòu)上采集后的光信號(hào)，通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸光纖網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)浇】当O(jiān)測(cè)和損傷診斷中心。同時(shí)，可以在中心對(duì)數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。
4.兩種方式的比較
4．1傳感原理比較
①電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)。電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，它是采用電阻應(yīng)變計(jì)(又稱電阻應(yīng)變片)作為傳感元件將構(gòu)件表面應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化，然后用電阻應(yīng)變儀把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，經(jīng)放大并測(cè)量這種變化再用其他儀器記錄，由所測(cè)應(yīng)變換算出應(yīng)力。應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的工作原理是基于金屬絲的電阻隨其機(jī)械形變而變化的一種特性。令金屬絲的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為D，截面積為A，電阻率為，則金屬絲的電阻為:K與兩個(gè)因數(shù)有關(guān)，一個(gè)是電阻絲材料的泊松比，由電阻絲幾何尺寸改變引起，當(dāng)選定材料后，泊松比為常數(shù);另一個(gè)是電阻絲發(fā)生單位應(yīng)變引起的電阻率的改變，對(duì)大多數(shù)電阻絲而言也是一個(gè)常量。因此可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。由此可見(jiàn)，應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變值呈線性關(guān)系。②光纖光柵傳感技術(shù)。如圖3所示，當(dāng)一束寬光譜光λ，經(jīng)過(guò)光纖Bragg光柵時(shí)，被光柵反射回一單色光λB，相當(dāng)于一個(gè)窄帶的反射鏡。反射光的中心波長(zhǎng)λB與光柵的折射率變化周期Λ和纖芯有效折射率neff有關(guān)。光纖光柵的傳感與原理如圖4所示。光纖光柵的反射或透射波長(zhǎng)主要取決于光柵周期改變量ΔΛ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個(gè)參數(shù)發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起光柵波長(zhǎng)的漂移，具體的關(guān)系式如下:由于光柵無(wú)論是拉伸還是壓縮，均會(huì)導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化。此外，光纖本身具有的彈光效應(yīng)決定了它的有效折射率neff必定隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化，因此應(yīng)力應(yīng)變是所有反映光柵波長(zhǎng)漂移的最直接外界因素，這就是光纖光柵材料可以制作成光纖應(yīng)變傳感器并檢測(cè)應(yīng)力應(yīng)變特性等基本物理參量的重要原因。試驗(yàn)證明，采用光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器可以克服溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。
4.2傳感器的性能比較
①干擾問(wèn)題。電阻式傳感器響應(yīng)輸出的電信號(hào)易受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁干擾等)的影響，進(jìn)而導(dǎo)致傳感的準(zhǔn)確度、靈敏度、持久性的降低。光纖光柵傳感器的測(cè)量信息是波長(zhǎng)編碼的，所以，光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強(qiáng)的抗干擾能力;同時(shí)光纖光柵具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)。
②分布性能及布線問(wèn)題。電類傳感器大多為分離型器件，不易與復(fù)合物集成，沒(méi)有分布測(cè)量的能力，并且需要另外的信號(hào)傳輸載體，導(dǎo)致傳感器及引線的巨大增加，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施困難。光纖光柵傳感器在一根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)分布式傳感。
③壽命問(wèn)題。受光纖材料的影響，光纖傳感器存在抗外力能力弱的缺點(diǎn)，使用時(shí)需做好保護(hù)工作。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對(duì)其進(jìn)行封裝后才能使用。較為傳統(tǒng)的.傳感組元和傳感技術(shù)如應(yīng)變片、加速度計(jì)、超聲設(shè)備等并不具備上述能力，但是隨著傳感器制作工藝的不斷精細(xì)化及其使用市場(chǎng)的擴(kuò)大化，此類傳感器的使用壽命正逐漸得到改善和加強(qiáng)。
④被測(cè)參量的多樣、多維性。基于波長(zhǎng)調(diào)制的光纖光柵式傳感器，可以在統(tǒng)一的光纖介質(zhì)下，依據(jù)不同原理制作生產(chǎn)出光纖光柵應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等。在此基礎(chǔ)下，信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理程序較為便利。⑤配套設(shè)備設(shè)施。由圖1、2可知，電測(cè)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除電阻式傳感器外，所需的設(shè)備有動(dòng)態(tài)應(yīng)變解調(diào)儀、屏蔽電纜、若干條并接應(yīng)變片的電纜(有線情況下)等，而光纖光柵式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除光纖光柵式應(yīng)變傳感器外，還需要一條串接傳感器的光纖線及光纖光柵解調(diào)儀等基本設(shè)備。
5.結(jié)束語(yǔ)
結(jié)合上面的分析及描述，從傳感原理、傳感器性能以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合比較，可以得出下表1的結(jié)論。從上面的分析看來(lái)，光纖光柵式傳感器在技術(shù)上整體優(yōu)于應(yīng)變電測(cè)式傳感器。逐漸成熟并發(fā)展的基于光纖光柵傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法克服了電類傳感器在檢測(cè)中出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳感監(jiān)測(cè)，且靈敏度也大大的提高，提升了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作品質(zhì)。光纖傳感技術(shù)特別是光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于大型港口起重機(jī)械領(lǐng)域，將為大型港口起重機(jī)械健康監(jiān)測(cè)和安全狀況評(píng)估注入新的活力，為起重機(jī)械長(zhǎng)期在線健康監(jiān)測(cè)學(xué)科的發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)。
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光纖光柵傳感器缺點(diǎn)：光纖溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
光纖溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)很多，缺點(diǎn)可以說(shuō)是幾乎沒(méi)有，可能價(jià)格方面會(huì)比傳統(tǒng)的pt100溫度傳感器來(lái)說(shuō)會(huì)貴一點(diǎn)，對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器來(lái)說(shuō)，比如pt100溫度傳感器等有著明顯的優(yōu)勢(shì)。
光纖溫度傳感器按工作原理可分為功能型光纖溫度傳感器和傳輸型光纖溫度傳感器
功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性f相位、偏振、強(qiáng)度等)隨溫度變換的特點(diǎn)，進(jìn)行溫度測(cè)定。這類傳感器盡管具有傳、感合一的特點(diǎn)，但也增加了增敏和去敏的困難。
傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔茫员荛_(kāi)測(cè)溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問(wèn)題，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對(duì)機(jī)械振動(dòng)之類的干擾較敏感。
光纖熒光溫度傳感器
光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測(cè)溫的工作機(jī)理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。
所謂光致發(fā)光是一種光發(fā)射現(xiàn)象，就是當(dāng)材料由于受紫外、可見(jiàn)光或紅外區(qū)的光激發(fā)，所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)其熒光強(qiáng)度或熒光壽命來(lái)得到所需的溫度的。
1、電磁/射頻環(huán)境，傳統(tǒng)的測(cè)溫方法受到嚴(yán)重干擾無(wú)法正常工作;
2、對(duì)精度、靈敏度，或者壽命、穩(wěn)定/可靠性等有特別高的要求;
3、安裝環(huán)境狹小，對(duì)傳感器尺寸有特殊要求;
4、易燃易爆、腐蝕環(huán)境，對(duì)安全性/耐腐蝕性有特殊要求。
5、雷擊，野外等惡劣環(huán)境中。
6、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)能源供應(yīng)不方便的地方。
光纖熒光溫度傳感器于其它光纖溫度傳感器相比有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：由于熒光壽命與溫度的關(guān)系從本質(zhì)上講是內(nèi)在的，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，這樣就可以制成自較準(zhǔn)的光纖溫度傳感器。而一般的基于光強(qiáng)度檢測(cè)的光纖溫度傳感器則因?yàn)橄到y(tǒng)的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關(guān)而需經(jīng)常校準(zhǔn)。
福州華光天銳提供熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，光纖光柵傳感器，自主研發(fā)生產(chǎn)，價(jià)格合理，歡迎代理合作聯(lián)系！
