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光纖光柵傳感器缺點：光纖光柵優缺點

深圳萬希源光電科技有限公司
光纖光柵優缺點
與普通機械、電子類傳感器，光纖傳感器具有以下優點：
1． 抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低很多，所以在光纖中傳輸的光信號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構成的，而且無需電源驅動，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產中使用。
3． 難腐蝕，化學性能穩定：由于制作光纖的材料－石英具有極高的化學穩定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環境中使用。
4． 體積小、重量輕，幾何形狀可塑。
5． 傳輸損耗小：可實現遠距離遙控監測。
6． 傳輸容量大：可實現多點分布式測量。
7． 測量范圍廣：可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。
8． 光柵的長度小，只有毫米級，測量值空間分辨率高。
9． 輸出線性范圍寬，在微應變范圍內波長移動與應變有良好的線性關系，頻帶寬，信噪比高。
基于土木工程智能監測的實際需要，對不同傳感材料進行定性比較，如表1所示：
綜合比較這些智能傳感元件的各項指標，可以看出光纖傳感器是土木工程健康監測的最佳選擇。
與傳統的光纖傳感器相比，波長調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特優點：
1． 抗干擾能力強：這一方面是因為普通傳輸光纖不會影響光波的頻率特性（忽略光纖的非線性效應）；另一方面光纖光柵傳感系統從本質上排除了各種光強起伏引起的干擾，例
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光纖光柵傳感器缺點：光纖光柵傳感技術的基本原理及其優缺點

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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形成的空間相位光柵，其實質是在纖芯內形成一個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，當光源發出的連續寬帶光（下圖中Ιi）通過傳輸光纖射入時，它與光場發生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應的一個窄帶光（下圖中Ιr），并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光（下圖中Ιt）則直接透射過去，在下一個具有不同中心波長的光纖光柵處進行反射，多個光纖光柵陣列形成光纖光柵傳感網絡。
各光纖光柵反射光的中心波長λ為：
（1）
式中n為纖芯的有效折射率；Λ為纖芯折射率的調制周期。目前，在結構變形和溫度監測中，普遍采用周期Λ＜1 μm的短周期光纖光柵傳感器，其反射波長人稱為Bragg波長。根據式（1），解調出反射光波長即可以尋址到光纖光柵傳感網絡中每個傳感器。
反射回來的窄帶光的中心波長隨著作用于光纖光柵的溫度和應變成線性變化，中心波長的變化量為：
（2）
式中ε為應變量；Δt為溫度變化量。由式（2）可知，光纖光柵反射光中心波長同時受溫度和應變的影響，比較成熟的方法是采用同種溫度環境下的光纖光柵溫度補償傳感器進行克服。
光纖光柵傳感器可以用于應力、應變或溫度等物理量的傳感測量，具有較高的靈敏度和測量范圍。在光纖若干個部位寫入不同柵距的光纖光柵，就可以同時測定若干部位相應物理量及其變化，實現準分布式光纖傳感。
光纖光柵傳感技術的優點在于：
1）抗電磁干擾，傳輸距離遠。
2）多個不同類型的傳感器可以在一條光纖上串接復用，增加了系統容量。
3）以反射光的中心波長表征被測量，系統安裝及長期使用過程中無需定標。
4）適合結構健康監測（SHM）系統中長距離動靜態應變信號（電壓信號微弱，易受干擾）的采集。
光纖光柵傳感技術的缺點在于：
1）光纖光柵直接反映應變和溫度耦合的變化，在測量應變時，必須進行溫度補償。
2）光纖光柵較適用于測量基于應變和溫度變化的靜態或準靜態物理量（如應變、應力、溫度、位移、索力、壓力等），不適用于測量動態信號（如振動信號）和 濕度、風速等信號。
3）光纖光柵傳感器和解調設備不便于現場調試。為減少光纖信號損耗并避免空氣或灰塵進入法蘭盤導致激光無法傳輸，一般使用光纖熔接的方式接聯傳感器，這樣不能滿足在現場調試階段經常拆換傳感器的需要。
4）現有的解調設備往往由工控機構成，工作溫濕度范圍、抗震及耐腐蝕性能受限，不耐惡劣環境。
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關于VISN-iFBG-S15光纖光柵解調儀
VISN-iFBG-S15是適合光纖布拉格光柵（FBG）光學傳感器的15通道光纖光柵解調儀。2Hz采樣頻率可以測量低速變化的溫度、應變和壓力等物理參數。內置大功率波長掃描型激光器，每個光學通道具有80nm波長范圍（1510nm~1590nm），波長解調精度達1pm，可同時連接16個FBG傳感器（取決于傳感器波長范圍）。解調儀支持GPS同步，便于采集站間同步，適用于橋梁、大壩、建筑物等長期狀態監測。
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光纖光柵傳感器缺點：光纖光柵傳感方式的特征及優點論文

光纖光柵傳感方式的特征及優點論文
　　1.引言
　　在對港口機械設備結構應力狀態的監測中，主要有基于電阻應變電測技術的監測方法和基于光纖光柵傳感技術的監測方法，其配套設備、數據采集原理、系統框架都存在巨大的差異。
　　2.電測式監測系統基本構成
　　應變電測法的測量系統通常由應變片、應變儀、記錄儀及計算分析設備等部分組成。它的基本原理是:將應變片按構件的受力狀況，合理的固定在被測構件表面，當構件受力變形時，應變片的電阻值就發生相應的變化。通過電阻應變儀將這種電阻值的變化測量出來，并換算成應變值或輸出與應變成正比的模擬電信號(電流或電壓)，用記錄儀器記錄此電信號，再作分析與處理。也可用分析設備或計算機按預定的要求直接接受模擬電信號并進行數據處理，從而得到應力、應變值或其他物理量。基于電阻應變電測技術的港機金屬結構遠程在線監測系統基本框架圖描述如下：
　　3.光纖光柵式監測系統的基本構成
　　光纖光柵式結構監測系統的設備通常包括以下幾類:①光纖光柵應變傳感器;②數據接收器;③光纖光柵解調器;④工控機(數據分析系統);⑤無線局域網+遠程主機等(如果需要實現遠程監測，則還需要在采集器中集成數據遠程傳輸模塊)。綜合看來，基于光纖光柵傳感技術的港機金屬監測方法系統一般框架圖可以描述如下:此系統中，光纖光柵傳感器直接埋入或粘貼在結構的表面，以進行結構狀態的在線全程信號采集(其中包括用于結構關鍵部位健康狀傳感器和用于結構損傷診斷的傳感器)，在結構上合理布置的。再用多種復雜技術(時分，頻分和波分)對光信號進行直接傳輸。從重大工程結構上采集后的光信號，通過遠程傳輸光纖網絡，傳輸到健康監測和損傷診斷中心。同時，可以在中心對數據采集方式進行遠程調控。
　　4.兩種方式的比較
　　4．1傳感原理比較
　　①電阻應變測試技術。電阻應變測試技術，它是采用電阻應變計(又稱電阻應變片)作為傳感元件將構件表面應變轉化為電阻變化，然后用電阻應變儀把電阻變化轉換成電壓或電流變化，經放大并測量這種變化再用其他儀器記錄，由所測應變換算出應力。應變片測量應變的工作原理是基于金屬絲的電阻隨其機械形變而變化的一種特性。令金屬絲的長度為L，直徑為D，截面積為A，電阻率為，則金屬絲的電阻為:K與兩個因數有關，一個是電阻絲材料的泊松比，由電阻絲幾何尺寸改變引起，當選定材料后，泊松比為常數;另一個是電阻絲發生單位應變引起的電阻率的改變，對大多數電阻絲而言也是一個常量。因此可以認為是一個常數。由此可見，應變片的電阻變化率與應變值呈線性關系。②光纖光柵傳感技術。如圖3所示，當一束寬光譜光λ，經過光纖Bragg光柵時，被光柵反射回一單色光λB，相當于一個窄帶的反射鏡。反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期Λ和纖芯有效折射率neff有關。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，任何使這兩個參數發生改變的物理過程都將引起光柵波長的漂移，具體的關系式如下:由于光柵無論是拉伸還是壓縮，均會導致光柵周期發生變化。此外，光纖本身具有的彈光效應決定了它的有效折射率neff必定隨外界應力狀態的變化而變化，因此應力應變是所有反映光柵波長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變傳感器并檢測應力應變特性等基本物理參量的重要原因。試驗證明，采用光纖光柵溫度補償傳感器可以克服溫度對應變測量的影響。
　　4.2傳感器的性能比較
　　①干擾問題。電阻式傳感器響應輸出的電信號易受環境因素(如溫度、濕度、電磁干擾等)的影響，進而導致傳感的準確度、靈敏度、持久性的降低。光纖光柵傳感器的測量信息是波長編碼的，所以，光纖光柵傳感器不受光源的光強波動、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態的變化等因素的影響，有較強的抗干擾能力;同時光纖光柵具有非傳導性，對被測介質影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點。
　　②分布性能及布線問題。電類傳感器大多為分離型器件，不易與復合物集成，沒有分布測量的能力，并且需要另外的信號傳輸載體，導致傳感器及引線的巨大增加，現場實施困難。光纖光柵傳感器在一根光纖中寫入多個光柵，構成傳感陣列，與波分復用和時分復用系統相結合，可實現分布式傳感。
　　③壽命問題。受光纖材料的影響，光纖傳感器存在抗外力能力弱的缺點，使用時需做好保護工作。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環境中非常容易破壞，因而需要對其進行封裝后才能使用。較為傳統的.傳感組元和傳感技術如應變片、加速度計、超聲設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化及其使用市場的擴大化，此類傳感器的使用壽命正逐漸得到改善和加強。
　　④被測參量的多樣、多維性。基于波長調制的光纖光柵式傳感器，可以在統一的光纖介質下，依據不同原理制作生產出光纖光柵應變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等。在此基礎下，信號的轉換處理程序較為便利。⑤配套設備設施。由圖1、2可知，電測式監測系統除電阻式傳感器外，所需的設備有動態應變解調儀、屏蔽電纜、若干條并接應變片的電纜(有線情況下)等，而光纖光柵式監測系統除光纖光柵式應變傳感器外，還需要一條串接傳感器的光纖線及光纖光柵解調儀等基本設備。
　　5.結束語
　　結合上面的分析及描述，從傳感原理、傳感器性能以及監測系統實用性和經濟性等多方面綜合比較，可以得出下表1的結論。從上面的分析看來，光纖光柵式傳感器在技術上整體優于應變電測式傳感器。逐漸成熟并發展的基于光纖光柵傳感技術的監測方法克服了電類傳感器在檢測中出現的相關問題，可實現遠距離傳感監測，且靈敏度也大大的提高，提升了整個監測系統的工作品質。光纖傳感技術特別是光纖光柵傳感技術應用于大型港口起重機械領域，將為大型港口起重機械健康監測和安全狀況評估注入新的活力，為起重機械長期在線健康監測學科的發展帶來了契機。
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光纖光柵傳感器缺點：光纖溫度傳感器的優缺點

光纖溫度傳感器的優點很多，缺點可以說是幾乎沒有，可能價格方面會比傳統的pt100溫度傳感器來說會貴一點，對于傳統的傳感器來說，比如pt100溫度傳感器等有著明顯的優勢。
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、強度等)隨溫度變換的特點，進行溫度測定。這類傳感器盡管具有傳、感合一的特點，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傳輸的作用，以避開測溫區域復雜的環境，對待測對象的調制功能是靠其他物理性質的敏感元件來實現的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題，增加了系統的復雜性，且對機械振動之類的干擾較敏感。
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。熒光測溫的工作機理是建立在光致發光這一基本物理現象上。
所謂光致發光是一種光發射現象，就是當材料由于受紫外、可見光或紅外區的光激發，所產生的發光現象。出射的熒光參數與溫度有一一對應關系，通過檢測其熒光強度或熒光壽命來得到所需的溫度的。
1、電磁/射頻環境，傳統的測溫方法受到嚴重干擾無法正常工作;
2、對精度、靈敏度，或者壽命、穩定/可靠性等有特別高的要求;
3、安裝環境狹小，對傳感器尺寸有特殊要求;
4、易燃易爆、腐蝕環境，對安全性/耐腐蝕性有特殊要求。
5、雷擊，野外等惡劣環境中。
6、測試現場能源供應不方便的地方。
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特的優點：由于熒光壽命與溫度的關系從本質上講是內在的，與光的強度無關，這樣就可以制成自較準的光纖溫度傳感器。而一般的基于光強度檢測的光纖溫度傳感器則因為系統的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關而需經常校準。
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