使用光學(xué)傳感器來(lái)解決傳感的挑戰(zhàn)

這些模塊中的大多數(shù)執(zhí)行電測(cè)量，但是許多應(yīng)用具有環(huán)境或物理限制，使得電傳感器的使用極具挑戰(zhàn)性。幸運(yùn)的是，光纖傳感器的固有特性解決或消除了許多這些問(wèn)題。了解光纖傳感的基礎(chǔ)知識(shí)，這項(xiàng)新技術(shù)如何解決電傳感器面臨的許多問(wèn)題。

光學(xué)傳感基礎(chǔ)知識(shí)

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(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)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(wú)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(shuō)，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(zhǎng)。

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(guò)核心傳輸，同時(shí)光線損失最小。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(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?yè)p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(hào)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(zhǎng)干涉并反射特定波長(zhǎng)的光，稱為布拉格波長(zhǎng)（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(zhǎng)（B）的偏移。因此，可以測(cè)量波長(zhǎng)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(huì)影響布拉格波長(zhǎng)（從而影響測(cè)量），因此溫度補(bǔ)償是大溫度或應(yīng)變范圍測(cè)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(zhǎng)，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(zhǎng)。這使得每個(gè)波長(zhǎng)在光譜范圍內(nèi)彼此可區(qū)分。基于它們各自的布拉格波長(zhǎng)在同一光纖上區(qū)分FBG的過(guò)程稱為波分復(fù)用。只要與每次測(cè)量相關(guān)的波長(zhǎng)偏移不會(huì)導(dǎo)致一個(gè)FBG傳感器的布拉格波長(zhǎng)跨越另一個(gè)FBG傳感器的布拉格波長(zhǎng)，同一光纖上的數(shù)十個(gè)傳感器就可以進(jìn)行獨(dú)立測(cè)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(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(cè)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(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(tǒng)最常見的測(cè)量誤差和故障源之一。在高EMI情況下的電傳感器信號(hào)測(cè)量，例如近大功率發(fā)電機(jī)，電動(dòng)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(huì)損壞甚至破壞傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。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(xiǎn)，但它們具有有限的噪聲抑制和隔離級(jí)別。

同樣，光纖傳感器由玻璃制成，并且完全不導(dǎo)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(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。