使用光学传感器解决传感挑战

能够适应不断变化的应用要求的测量系统是首选,因为不断增长的成本压力需要较长的系统寿命和功能灵活性。开发此类系统的最有效方法是使用像PXI这样的软件定义的模块化架构。可以混合和匹配各种PXI模块,以实现高度定制的系统。这些模块中的大多数执行电测量,但是许多应用具有环境或物理限制,使得电传感器的使用极具挑战性。幸运的是,光纤传感器的固有特性解决或消除了许多这些问题。了解光纤传感的基础知识,这项新技术如何解决电传感器面临的许多问题,

光学传感基础知识
传统的电传感器使用传感器将物理现象转换为电信号,然后通过数据采集系统对其进行调节,数字化和缩放至预期值。尽管它们无处不在,但这些传感器具有固有的局限性,并且在某些类型的应用中使用电传感器是不切实际的,如果不是完全不可能的话。光纤传感器为这些挑战提供了出色的解决方案。

从根本上说,光纤传感器的工作方式与电气传感器类似,但使用光而不是电和玻璃纤维代替铜线。在电传感器可以调节诸如电流,电阻或电压的电特性的情况下,光纤传感器调制光的一个或多个属性,包括强度,相位,偏振或波长。

光学传感技术取决于光纤 - 一种比人类头发更薄的玻璃,在其核心内传输光。该光纤由三个主要部分组成:芯,包层和缓冲涂层。包层将杂散光反射回核心,确保通过核心传输,同时光线损失最小。这是通过确保芯材料具有比包层更高的折射率来实现的,从而引起光的完全内反射。外部缓冲涂层可保护光纤免受外部条件和物理损坏。它可以包含许多层,具体取决于所需的坚固程度。


图1:典型光纤的横截面


尽管存在许多类型的光纤传感器,但最常用的是光纤布拉格光栅(FBG)。布拉格光栅是折射率的变化,它们以称为光栅周期的周期性间隔“写入”光纤的纤芯内。当输入光信号照射到FBG上时,光栅之间的间隔导致每个光栅的反射相长干涉并反射特定波长的光,称为布拉格波长(见图2)。


图2:FBG光学传感器的操作
应变和温度的变化影响FBG的有效折射率(ne)和光栅周期(Λ),这导致根据下面的等式1的反射布拉格波长(B)的偏移。因此,可以测量波长偏移以确定应变和/或温度的相应变化。由于应变和温度都会影响布拉格波长(从而影响测量),因此温度补偿是大温度或应变范围测试的重要考虑因素。



FBG可以制造成具有各种光栅周期并因此具有各种布拉格波长,使得同一光纤上的不同FBG传感器能够反射独特的光波长。这使得每个波长在光谱范围内彼此可区分。基于它们各自的布拉格波长在同一光纤上区分FBG的过程称为波分复用。只要与每次测量相关的波长偏移不会导致一个FBG传感器的布拉格波长跨越另一个FBG传感器的布拉格波长,同一光纤上的数十个传感器就可以进行独立测量。

用光学传感解决问题
任何一直在努力解决噪音过滤,屏蔽,布线问题或传感器损坏问题的人都可以告诉您,电子传感器有一些应用难以适应。使用电子传感器时遇到的四个最棘手的挑战是在电气恶劣条件下保持可靠性,抵御恶劣环境中的退化,使用多个传感器经济地检测大面积区域,以及将传统传感器安装到受限空间中。通过使用光纤传感器而不是电传感器可以解决这些棘手问题中的每一个。

高电磁干扰和高压环境
电磁干扰(EMI)是电传感器系统最常见的测量误差和故障源之一。在高EMI情况下的电传感器信号测量,例如近大功率发电机,电动机或其他AC电源,特别容易失真。这些环境通常包括高压组件,这些组件可能会损坏甚至破坏传统的传感器系统。过滤和隔离仪器可以在一定程度上降低高EMI和高电压的风险,但它们具有有限的噪声抑制和隔离级别。

同样,光纤传感器由玻璃制成,并且完全不导电且电无源。这使得它们甚至可以抵抗最高水平的EMI,并且完全不受环境中高压或电流的影响。例如,您可以将光纤温度传感器直接连接到超高功率组件,例如电机绕组,变压器和电源线,以便在运行期间进行高精度热特性分析。

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