光纤光栅的固有缺点,光纤光栅传感器封装难点,光纤光栅温度补偿原理

本文从原理上分析了光纤光栅(FBG)的固有缺点,由此造成了光纤光栅传感器封装时的技术难点,同时给出了准确的光纤光栅温度传感器(布拉格光纤光栅温度计),并提出了北京大成永盛科技有限公司针对光纤光栅应力传感器光纤光栅应变传感器温度补偿解决方案,也提及了光纤光栅串(FBGs)和串式光纤光栅传感器


在上一篇《光纤光栅和光纤光栅传感器基本原理之二,FBG传感原理》文章中,我们了解到,光纤光栅(FBG)能够直接测量的基本物理量包括了应力、应变、温度,其根本原因在于光纤光栅(FBG)中的光栅栅距(光栅周期)和三个基本物理参量有直接的联系,分别是力(拉力压力)长度(变长变短)温度(受热遇冷)。其中力的变化和温度变化都是属于原因,而长度变化属于结果(光纤光栅示意详见下图1)。

北诺®毛细®用 布拉格光纤光栅传感示意图

图1


以上结论构成了光纤光栅(FBG)和光纤光栅传感器(FBG sensor)进行传感的理论基础,但也带来了一个新的挑战或者说技术难点(其根本原因也即光纤光栅的固有缺点)。

 

一、光纤光栅的缺点(FBG),光纤光栅传感器的封装难点(FBG sensor)

摆在人们面前的问题在于,当你使用布拉格光纤光栅(FBG)和光纤光栅传感器(FBG sensor)进行传感检测时,你发现你所检测到的反射光波长发生了变化(对应了光栅栅距的变化),你如何确定这种变化是由于力的变化引起的,还是由于温度的变化引起的?

这个问题不解决,你就没有办法确定你所生产的产品是哪一种光纤光栅传感器光纤光栅温度传感器光纤光栅应力传感器?还是光纤光栅应变传感器?),也没有办法确定你的光纤光栅传感器在测量时是准确的。

二、先有一根测温准确的光纤光栅温度传感器

我们很感谢这个伟大的时代,北京大成永盛科技有限公司很幸运地站在多个行业内巨人的肩上,创造性地把现代冶金制管行业与光纤光栅传感行业相结合,推出了自己的解决方案,解决了光纤布拉格光栅(FBG)和光纤光栅传感器(FBG sensor)中温度应力应变分离的难题,所形成的产品就是北诺®毛细®系列光纤光栅传感器(光纤光栅传感器的封装结构详见图2、图3)。

北诺®毛细®无缝钢管 光纤光栅温度传感器标准封装原理图

图2

北诺®毛细®无缝钢管 光纤光栅应力传感器和光纤光栅应变传感器标准封装原理图

图3


上图2即为北京大成永盛科技有限公司生产的北诺®毛细®无缝钢管光纤光栅温度传感器(01型),我们可以负责任地告诉大家,该款光纤光栅温度传感器从原理到实测结果均完美地实现了温度和应力应变的分离(其原理及实验证明我们将在后续文章中陆续给出)。

同时该款产品具有灵敏度高、热传导快、准确度好以及体积小、重量轻、高抗拉、高抗压、耐高温、耐腐蚀、防水防潮、无可燃物等特点,是一款创新型的布拉格光纤光栅温度传感器。借助于这款产品,我们希望,大成永盛能够帮助整个光纤光栅传感行业向前迈进一小步,实现整个行业的进一步发展。

三、光纤光栅应力传感器、光纤光栅应变传感器的温度补偿原理图

上图3为北京大成永盛科技有限公司生产的北诺®毛细®无缝钢管光纤光栅应力应变传感器(02型),该款产品虽然未能单独实现温度和应力应变的分离,但是却可以通过和北诺®毛细®无缝钢管光纤光栅温度传感器(01型)配套使用解决温度和应力应变分离的难题,原理如下图4所示。

北诺®毛细®无缝钢管光纤光栅应力传感器和光纤光栅应变传感器的温度补偿方案原理图

图4

 

四、光纤光栅串(FBGs)和串式光纤光栅传感器的概念


为了更好的理解上面这一张图,我们首先要补充一个光纤光栅(FBG)的基本知识:光纤光栅传感器使用灵活的一个表现就是可以实现多点传感,理论上我们可以在一根传感器里刻写无数个不同波长的光纤光栅(FBG),实现对同一或多个物理参量的分布式检测(产品对应为北诺®毛细®准分布式光纤光栅传感器)。

具体例子详见下图5,该图所示光纤刻写了9个不同波长的光纤光栅串(FBGs),能够实现9个点的同时测量。

北诺®毛细®系列无缝钢管 光纤光栅传感器所用 光纤光栅串实物图(准分布式光纤光栅串实物)

图5

北诺®毛细®系列无缝钢管 光纤光栅传感器所用 光纤光栅串波长实测图(准分布式光纤光栅传感器实测)

图6

(请原谅我随手拍照有点渣,上图显示了一条刻写了8个不同波长的光纤光栅串(FBGs)在光频谱仪上的波长分布)

 

五、光纤光栅传感器的温度补偿


接着返回上图4的例子。我们使用了两根北诺®毛细®无缝钢管光纤光栅传感器,传感器1和传感器2,两根传感器具有不同的波长。

传感器1对于温度和应力应变都敏感,传感器2只对温度敏感,他们处于同一环境,有相同的温度。对于传感器1来说,它的波长变化里既包括了温度的影响,又包括了应力、应变的影响,但是此时我们已经知道了它的温度(准确温度来自于传感器2),我们就可以扣除温度对它波长变化的影响,只剩下应力、应变的影响(计算原理详见公式:ΔλB =λB(1-Pe)Δε+λB(αf-ξ)ΔT)。

此时在这个传感器套装里,它就是一根测试准确的光纤光栅应力传感器光纤光栅应变传感器(这一计算过程被称为光纤光栅传感器的温度补偿)。

北诺®毛细®无缝钢管光纤光栅温度传感器同样能够对于其它诸如光纤光栅振动传感器光纤光栅形状传感器光纤光栅气体传感器光纤光栅压力传感器等进行温度补偿。

由以上论述可知,北京大成永盛科技有限公司所生产的北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器,确实实现了温度和应力应变的分离,克服了光纤光栅的固有缺点。其核心在于,北诺®毛细®无缝钢管光纤光栅温度传感器测温准确,不受应力应变的影响。大成永盛靠什么做到这一点?其原理和奥秘我们将在下一篇文章中开始揭示,敬请期待!

我们的理念是:“北诺®,让光纤不脆弱!”

声明:本公司系列产品多包含了包括商标和专利在内的多项知识产权,为推动行业发展和技术进步,北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器产品价格适中,鼓励大家正规渠道购买。未经授权,请勿仿制!