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德國BURKERT寶德光纜尺傳感器

2016-10-19  閱讀(758)

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(qiáng)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(diǎn)是量程大和精度高。光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)中,可測(cè)量靜、動(dòng)態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、變形測(cè)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(shí),光纖的折射率將隨光強(qiáng)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(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)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(bǔ)償型光柵;其中,色散補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)裸光纖為125um)、重量輕、耐溫性好(工作溫度上限可達(dá)400℃~600℃)、復(fù)用能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)(傳感器到解調(diào)端可達(dá)幾公里)、耐腐蝕、高靈敏度、無源器件、易形變等優(yōu)點(diǎn),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(cè)當(dāng)中,同時(shí)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(gè)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(jī)場(chǎng)跑道等)的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中測(cè)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(jìn)一步實(shí)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(shí),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(cè)量物理量變化前后反射光波長的變化,就可以獲得待測(cè)物理量的變化情況。如利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率變化不同,可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的直接測(cè)量。此外,通過特定的技術(shù),還可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和溫度的分別測(cè)量和同時(shí)測(cè)量。通過在光柵上涂敷特定的功能材料(如壓電材料),對(duì)電場(chǎng)等物理量的間接測(cè)量也能實(shí)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(duì)單參數(shù)的定點(diǎn)測(cè)量很有效,但在需要同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度或者測(cè)量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時(shí)就顯得力不從心。此時(shí),采用啁啾光纖光柵傳感器就就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)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(huì)發(fā)生變化。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場(chǎng)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(hào)會(huì)拓寬,峰值波長也會(huì)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(huì)影響重心的位置。在地震檢測(cè)等地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中,地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險(xiǎn)性的估定和預(yù)測(cè)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(dòng)性及其關(guān)鍵活動(dòng)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(cè)以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面。活動(dòng)區(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動(dòng)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(dòng)態(tài)應(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測(cè)到。為了得到相當(dāng)準(zhǔn)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(cè)量儀。光纖光柵傳感器是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(cè)等的要求,因此它在地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無疑具有較大的潛在用途。有報(bào)道指出,光纖光柵傳感器已成功檢測(cè)了頻率為0.1Hz~2Hz,大小為10-9 e的巖石和地表動(dòng)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(duì)于快速航運(yùn)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(jī)的機(jī)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(gè)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(cè)。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測(cè)量船體的彎曲應(yīng)力,而且可測(cè)量海浪對(duì)濕甲板的抨擊力。具有干涉探測(cè)性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。
另外,為了監(jiān)測(cè)一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng),起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度情況,通常需要100多個(gè)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(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個(gè)方向的應(yīng)變,嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和溫度測(cè)量的理想智能元件。
光纖光柵傳感器可以檢測(cè)的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應(yīng)用時(shí),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(gè)小凹槽,使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽中(便于防護(hù))。如果需要更加完善的保護(hù),則是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復(fù)合筋。同時(shí),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(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。
兩個(gè)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(shí)現(xiàn)了高靈敏度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。用FFPI結(jié)合另外兩個(gè)FBG,其中一個(gè)光柵用來測(cè)應(yīng)變,另一個(gè)被保護(hù)起來(免受應(yīng)力影響),以測(cè)量和修正溫度效應(yīng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三個(gè)量的測(cè)量:溫度、靜態(tài)應(yīng)變、瞬時(shí)動(dòng)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(diǎn),在5me的測(cè)量范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了小于 1me的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1ne/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度。光纖光柵傳感器因不受電磁場(chǎng)干擾和可實(shí)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(cè)量。

 



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