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常見光纖傳感器比較

發(fā)布時間:2008/8/12 0:00:00 訪問次數(shù):503

  法布利-比羅特(簡稱fp)、布拉格光柵(簡稱fbg)和熒光式光纖傳感器都是當前流行,技術(shù)上也比較先進的傳感器。因為它們都是基于光纖,所以有很多共同的特點,比如抗電磁干擾可應(yīng)用于惡劣環(huán)境(沒有加入電磁過程),傳輸距離長(光纖中光衰減慢),使用壽命長, 結(jié)構(gòu)小巧等等,這里就不再贅述。我們將重點討論他們的不同。

精度

  應(yīng)該說它們都具有很高的精度,都可以滿足絕大多數(shù)需求。但如果進行深入的探討,從理論上,光纖光柵傳感器所能達到的精度要為高。從加工的角度來說fp的傳感精度主要決定于腔長的加工精度,而fbg的精度主要決定于光柵周期間距與有效折射率的控制。當加工精度都得到保證的時候,fbg將憑借其本身測量機理中優(yōu)異線性度取勝。從傳感原理可以看出,fp的腔長變化轉(zhuǎn)化為δλ是通過相位變化和干涉實現(xiàn)的,這是一個非線性過程,而fbg直接通過公式λb=2neffλ 實現(xiàn)有效折射率和光柵周期關(guān)于δλ的轉(zhuǎn)化,完全線性,理論上說將能提供更好的精度。除此以外,光纖光柵反射光在頻域內(nèi)較之fp干涉極大波包更為尖銳,因此對其中心譜線的測量也應(yīng)當更為精確。熒光式測溫精度主要取決于熒光物質(zhì)受激發(fā)出熒光的特性和對熒光光強度變化的檢測,目前的技術(shù)工藝水平,使其測量精度與前兩種技術(shù)相當,其成本會隨精度和測量范圍而變化。但在實際產(chǎn)品中,測量精度受到具體廠家對產(chǎn)品本身的材料、工藝加工水平、信號解調(diào)器分辨率等客觀因素的影響,還需要針對具體的產(chǎn)品進行具體對比

集成度與組網(wǎng)

  在這方面,fbg無疑有著很明顯的優(yōu)勢。光纖光柵其本身的特點使得每個探點僅利用相當少的光源分量,絕大部分光都透過并繼續(xù)傳播。根據(jù)上文介紹,一根光纖上可以最多同時使用30個光柵,傳輸距離超過45km。這一特點無疑為組網(wǎng)帶來巨大便利。同時波分復用等技術(shù)的使用,也提高了這一技術(shù)的可行性?偟脕碚ffbg非常適合做大范圍多節(jié)點的分布式測量。至于fp和熒光式,則對于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)將更容易實現(xiàn)。

復雜度

  fp和熒光式系統(tǒng)的復雜度應(yīng)當遠低于fbg,其中熒光式最簡單。 正如原理部分所闡述,前兩種傳感器技術(shù)最終都歸結(jié)到對δλ的測量,明顯的,因為fbg的信號弱,并且多伴有解復用要求,其系統(tǒng)要遠復雜于fp。而熒光式屬于光強檢測,相對更加簡單。

響應(yīng)頻率

  響應(yīng)頻率更多的取決于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與濾波解調(diào)設(shè)備的響應(yīng)速度。 fbg需要一個高性能的解調(diào)解復用接收端,接收端的處理能力往往會影響到其響應(yīng)頻率。 fp和熒光式因其相對簡單,響應(yīng)頻率一般可以得到保證。

光源

  根據(jù)上文的討論,fbg對光源的要求相當高,需要大功率寬帶光源或可調(diào)諧光源。而fp和熒光式的要求則要低得多,這得益于fp有較強的反射信號,及熒光式的光源僅需起到激發(fā)熒光的作用即可。

靈活性與適用范圍

  三者的探頭都是相當小巧與靈活的,但是fbg顯然要受制于其復雜的波長移位檢測技術(shù)。在溫度較高的環(huán)境中(300 °c) 左右,光柵將有可能被擦去。所以fbg不適用于較大的溫度范圍。

成本

  根據(jù)以上討論,就單測點(或少數(shù)測點,如少于50個測點)時,fp和熒光式系統(tǒng)因為復雜性低,波長移位檢測技術(shù)簡單,光源要求低等條件,無疑要占據(jù)優(yōu)勢。而熒光式最具成本優(yōu)勢。然而,對于大型超過50節(jié)點的系統(tǒng),fp和熒光式因為其組網(wǎng)的困難,會帶來的成本的迅速上升。

  綜上所述,一般認為fbg傳感器適用于大型,復雜,高精度要求的低溫分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。而fp和熒光式響應(yīng)頻率快(可達200khz)、探頭體積。ㄎ⒚琢考墸、光源壽命長等優(yōu)點,則適用于靈活,小型,簡單的傳感系統(tǒng)。熒光式尤其具備高溫測量和低成本的優(yōu)勢。

  法布利-比羅特(簡稱fp)、布拉格光柵(簡稱fbg)和熒光式光纖傳感器都是當前流行,技術(shù)上也比較先進的傳感器。因為它們都是基于光纖,所以有很多共同的特點,比如抗電磁干擾可應(yīng)用于惡劣環(huán)境(沒有加入電磁過程),傳輸距離長(光纖中光衰減慢),使用壽命長, 結(jié)構(gòu)小巧等等,這里就不再贅述。我們將重點討論他們的不同。

精度

  應(yīng)該說它們都具有很高的精度,都可以滿足絕大多數(shù)需求。但如果進行深入的探討,從理論上,光纖光柵傳感器所能達到的精度要為高。從加工的角度來說fp的傳感精度主要決定于腔長的加工精度,而fbg的精度主要決定于光柵周期間距與有效折射率的控制。當加工精度都得到保證的時候,fbg將憑借其本身測量機理中優(yōu)異線性度取勝。從傳感原理可以看出,fp的腔長變化轉(zhuǎn)化為δλ是通過相位變化和干涉實現(xiàn)的,這是一個非線性過程,而fbg直接通過公式λb=2neffλ 實現(xiàn)有效折射率和光柵周期關(guān)于δλ的轉(zhuǎn)化,完全線性,理論上說將能提供更好的精度。除此以外,光纖光柵反射光在頻域內(nèi)較之fp干涉極大波包更為尖銳,因此對其中心譜線的測量也應(yīng)當更為精確。熒光式測溫精度主要取決于熒光物質(zhì)受激發(fā)出熒光的特性和對熒光光強度變化的檢測,目前的技術(shù)工藝水平,使其測量精度與前兩種技術(shù)相當,其成本會隨精度和測量范圍而變化。但在實際產(chǎn)品中,測量精度受到具體廠家對產(chǎn)品本身的材料、工藝加工水平、信號解調(diào)器分辨率等客觀因素的影響,還需要針對具體的產(chǎn)品進行具體對比

集成度與組網(wǎng)

  在這方面,fbg無疑有著很明顯的優(yōu)勢。光纖光柵其本身的特點使得每個探點僅利用相當少的光源分量,絕大部分光都透過并繼續(xù)傳播。根據(jù)上文介紹,一根光纖上可以最多同時使用30個光柵,傳輸距離超過45km。這一特點無疑為組網(wǎng)帶來巨大便利。同時波分復用等技術(shù)的使用,也提高了這一技術(shù)的可行性?偟脕碚ffbg非常適合做大范圍多節(jié)點的分布式測量。至于fp和熒光式,則對于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)將更容易實現(xiàn)。

復雜度

  fp和熒光式系統(tǒng)的復雜度應(yīng)當遠低于fbg,其中熒光式最簡單。 正如原理部分所闡述,前兩種傳感器技術(shù)最終都歸結(jié)到對δλ的測量,明顯的,因為fbg的信號弱,并且多伴有解復用要求,其系統(tǒng)要遠復雜于fp。而熒光式屬于光強檢測,相對更加簡單。

響應(yīng)頻率

  響應(yīng)頻率更多的取決于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與濾波解調(diào)設(shè)備的響應(yīng)速度。 fbg需要一個高性能的解調(diào)解復用接收端,接收端的處理能力往往會影響到其響應(yīng)頻率。 fp和熒光式因其相對簡單,響應(yīng)頻率一般可以得到保證。

光源

  根據(jù)上文的討論,fbg對光源的要求相當高,需要大功率寬帶光源或可調(diào)諧光源。而fp和熒光式的要求則要低得多,這得益于fp有較強的反射信號,及熒光式的光源僅需起到激發(fā)熒光的作用即可。

靈活性與適用范圍

  三者的探頭都是相當小巧與靈活的,但是fbg顯然要受制于其復雜的波長移位檢測技術(shù)。在溫度較高的環(huán)境中(300 °c) 左右,光柵將有可能被擦去。所以fbg不適用于較大的溫度范圍。

成本

  根據(jù)以上討論,就單測點(或少數(shù)測點,如少于50個測點)時,fp和熒光式系統(tǒng)因為復雜性低,波長移位檢測技術(shù)簡單,光源要求低等條件,無疑要占據(jù)優(yōu)勢。而熒光式最具成本優(yōu)勢。然而,對于大型超過50節(jié)點的系統(tǒng),fp和熒光式因為其組網(wǎng)的困難,會帶來的成本的迅速上升。

  綜上所述,一般認為fbg傳感器適用于大型,復雜,高精度要求的低溫分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。而fp和熒光式響應(yīng)頻率快(可達200khz)、探頭體積小(微米量級)、光源壽命長等優(yōu)點,則適用于靈活,小型,簡單的傳感系統(tǒng)。熒光式尤其具備高溫測量和低成本的優(yōu)勢。

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