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使用光學(xué)傳感器解決傳感挑戰(zhàn)

發(fā)布時(shí)間:2018-08-03 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】能夠適應(yīng)不斷變化的應(yīng)用要求的測(cè)量系統(tǒng)是首選,因?yàn)椴粩嘣鲩L(zhǎng)的成本壓力需要較長(zhǎng)的系統(tǒng)壽命和功能靈活性。開(kāi)發(fā)此類系統(tǒng)的最有效方法是使用像PXI這樣的軟件定義的模塊化架構(gòu)。可以混合和匹配各種PXI模塊,以實(shí)現(xiàn)高度定制的系統(tǒng)。

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。
 
http://m.anotherwordforlearning.com/art/artinfo/id/80034259
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(xiě)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(jiàn)圖2)。
 
 
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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。
 
http://m.anotherwordforlearning.com/art/artinfo/id/80034259
 
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(jiàn)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。
 
 
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