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德國BURKERT寶德光纜尺傳感器

2016-10-19  閱讀(748)

傳感器的光路形式有兩種:一種是透射式光柵,它的柵線刻在透明材料(如工業(yè)用白玻璃、光學(xué)玻璃等)上;另一種是反射式光柵,它的柵線刻在具有強反射的金屬(不銹鋼)或玻璃鍍金屬膜(鋁膜)上。這種傳感器的優(yōu)點是量程大和精度高。光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機床和三坐標測量機構(gòu)中,可測量靜、動態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領(lǐng)域也有應(yīng)用。
光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時,光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵,其實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能*的光纖器件,它們都具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小,易與光纖耦合,可與其它光器件兼容成一體,不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。
光纖光柵的種類很多,主要分兩大類:一是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵),二是透射光柵(也稱為長周期光柵)。光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu),從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵;其中,色散補償型光柵是非周期光柵,又稱為啁啾光柵(chirp光柵)。目前光纖光柵的應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。
在光纖傳感器領(lǐng)域,光纖光柵傳感器的應(yīng)用前景十分廣闊。由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小(標準裸光纖為125um)、重量輕、耐溫性好(工作溫度上限可達400℃~600℃)、復(fù)用能力強、傳輸距離遠(傳感器到解調(diào)端可達幾公里)、耐腐蝕、高靈敏度、無源器件、易形變等優(yōu)點,早在1988年就成功地應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無損檢測當(dāng)中,同時光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個領(lǐng)域,以及在土木工程領(lǐng)域中(如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機場跑道等)的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中測定結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài),從而建立靈巧結(jié)構(gòu),并進一步實現(xiàn)智能建筑。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時,光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化,從而使反射光的波長發(fā)生變化,通過測量物理量變化前后反射光波長的變化,就可以獲得待測物理量的變化情況。如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同,可實現(xiàn)對磁場的直接測量。此外,通過特定的技術(shù),還可實現(xiàn)對應(yīng)力和溫度的分別測量和同時測量。通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料),對電場等物理量的間接測量也能實現(xiàn)。
1、啁啾光纖光柵傳感器的工作原理
上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng),光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的,對單參數(shù)的定點測量很有效,但在需要同時測量應(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時就顯得力不從心。此時,采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一個不錯的選擇。
啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補償能力而應(yīng)用在高比特遠程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同,在外界物理量的作用下,啁啾光纖光柵除了DlB的變化外,光譜的展寬也會發(fā)生變化。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的。由于應(yīng)變的影響,啁啾光纖光柵反射信號會拓寬,峰值波長也會發(fā)生位移,而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn/dT),僅會影響重心的位置。在地震檢測等地球動力學(xué)領(lǐng)域中,地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險性的估定和預(yù)測是非常復(fù)雜的,而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動性及其關(guān)鍵活動范圍演變的zui有效手段心。光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面。活動區(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動態(tài)兩種,靜態(tài)應(yīng)變(包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等)一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離,而以震源的震波為代表的動態(tài)應(yīng)變則能夠在與震源較遠的地球周邊環(huán)境中檢測到。為了得到相當(dāng)準確的震源或火山源的位置,更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況,需要使用密集排列的應(yīng)力-應(yīng)變測量儀。光纖光柵傳感器是能實現(xiàn)遠距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器,符合地震檢測等的要求,因此它在地球動力學(xué)領(lǐng)域中無疑具有較大的潛在用途。有報道指出,光纖光柵傳感器已成功檢測了頻率為0.1Hz~2Hz,大小為10-9 e的巖石和地表動態(tài)應(yīng)變。
在航天器及船舶中的應(yīng)用
*復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好,而且可以減輕船體或航天器的重量,對于快速航運或飛行具有重要意義,因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。
為全面衡量船體的狀況,需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力,普通船體大約需要100個傳感器,因此波長復(fù)用能力*的光纖光柵傳感器于船體檢測。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測量船體的彎曲應(yīng)力,而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)成功實現(xiàn)了帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動態(tài)應(yīng)變測量。
另外,為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動,起落駕駛狀態(tài)、超聲波場和加速度情況,通常需要100多個傳感器,故傳感器的重量要盡量輕,尺寸盡量小,因此zui靈巧的光纖光柵傳感器是的選擇。另外,實際上飛機的復(fù)合材料中存在兩個方向的應(yīng)變,嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現(xiàn)多點多軸向應(yīng)變和溫度測量的理想智能元件。
光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應(yīng)用時,一組光纖光柵被粘于橋梁復(fù)合筋的表面,或在梁的表面開一個小凹槽,使光柵的裸纖芯部分嵌進凹槽中(便于防護)。如果需要更加完善的保護,則是在建造橋時把光柵埋進復(fù)合筋。同時,為了修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變,可使用應(yīng)力和溫度分開的傳感臂,并在每一個梁上均安裝這兩個臂。
兩個具有相同中心波長的光纖光柵代替法布里-珀*涉儀的反射鏡,形成全光纖法布里-珀*涉儀(FFPI),利用低相干性使干涉的相位噪聲zui小化,這一方法實現(xiàn)了高靈敏度的動態(tài)應(yīng)變測量。用FFPI結(jié)合另外兩個FBG,其中一個光柵用來測應(yīng)變,另一個被保護起來(免受應(yīng)力影響),以測量和修正溫度效應(yīng),同時實現(xiàn)了對三個量的測量:溫度、靜態(tài)應(yīng)變、瞬時動態(tài)應(yīng)變。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點,在5me的測量范圍內(nèi),實現(xiàn)了小于 1me的靜態(tài)應(yīng)變測量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1ne/(Hz)1/2的動態(tài)應(yīng)變靈敏度。光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現(xiàn)長距離低損耗傳輸,從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。

 



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