fsFBG傳感器分布式高溫測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

一、應(yīng)變和溫度及其傳統(tǒng)測(cè)量方法

傳統(tǒng)測(cè)量應(yīng)變及溫度的方法有電子應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變及熱電偶測(cè)量溫度，盤點(diǎn)電子應(yīng)變片和熱電偶的缺點(diǎn)包括：?jiǎn)吸c(diǎn)測(cè)量、并行測(cè)量，無法復(fù)用；占用空間較大，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性低，不足以勝任大面積長(zhǎng)距離長(zhǎng)壽命監(jiān)測(cè)；帶電和電火花風(fēng)險(xiǎn)，無法用于易燃易爆工況；易受電磁場(chǎng)干擾，各類輻射環(huán)境下無法長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

電子應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變：1938年發(fā)明，把微小的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成可測(cè)的電阻變化

熱電偶測(cè)量溫度：常規(guī)溫度傳感器基于熱電原理或者電阻的溫度系數(shù)

二、光纖傳感器和光纖Bragg光柵(FBG)傳感器

1、光纖Bragg光柵 （FBG）技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2、另一類光纖傳感系統(tǒng)

纖芯內(nèi)“無“光柵 ：OTDR

光時(shí)域反射法 ：OFDR

光頻域反射法 ：DTS

分布式溫度傳感

激光脈沖引入光纖形成一維光學(xué)“雷達(dá)”，利用纖芯內(nèi)任何一點(diǎn)的Raman散射/ Rayleigh 散射/ Bouillouin散射獲得該點(diǎn)處的溫度和應(yīng)變等動(dòng)態(tài)信息，更密集的連續(xù)分布式傳感，但取樣速率較低，硬件昂貴。

三、飛秒激光逐點(diǎn)直寫FBG(fsFBG)傳感器及其優(yōu)勢(shì)

1、光纖傳感應(yīng)用領(lǐng)域的挑戰(zhàn)

(1). 核電站，反應(yīng)堆，散列中子源，核廢料存儲(chǔ)裝置 (高溫，強(qiáng)輻射)

(2). 科學(xué)高級(jí)光源，同步輻射光源，自由電子激光器 (meV到MeV的電磁輻射)

(3). 燃?xì)廨啓C(jī)，汽輪機(jī)，航發(fā)，煤炭氣液化(高溫，高壓，反應(yīng)性腐蝕氣體)

(4). 石油勘產(chǎn)(高溫，高壓，高濃度氫氣，水汽)

(5). 航空航天航海高級(jí)智能結(jié)構(gòu) (植入，高溫焊接)

(6). 高電壓大電流環(huán)境下傳感 (絕緣，可靠性要求)

(7). 微波和激光消融手術(shù) (高功率瞬時(shí)溫度沖擊)

(8). 手術(shù)機(jī)器人的體內(nèi)力學(xué)傳感

2、常規(guī)光纖Bragg光柵（FBG）技術(shù)缺陷

(1). 非永久光柵，長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定工作溫度極限不到300度，不耐核輻射

(2). 制造過程繁瑣：剝離-再涂敷，載氫，敏化, 退火, 再生，細(xì)芯重?fù)芥N...

(3). 剝離-再涂敷嚴(yán)重?fù)p害光纖機(jī)械強(qiáng)度，碳涂敷層，Ormocer涂敷層無法再涂敷

(4). 制造過程受掩模板限制缺乏靈活性

(5). 單個(gè)光柵點(diǎn)折射率調(diào)制低，易退化，光柵長(zhǎng)度大。

(6). 在純石英-，藍(lán)寶石-，氟化物-，硫族光纖無法/難以寫入FBG

(7). 單纖FBG陣列受成品率限制價(jià)格高昂，或者需熔接

3、飛秒逐點(diǎn)直寫光纖Bragg光柵（FsFBG）

新型飛秒激光逐點(diǎn)直寫技術(shù)高效靈活制造高端 FBG：fsFBG

獨(dú)有優(yōu)勢(shì)

• 飛秒激光的非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生極端穩(wěn)定的，不可擦除的光柵作為傳感器件

• 透過涂敷層直寫不受損害光纖本身強(qiáng)度

• 靈活制造，對(duì)光纖材料，涂敷層材料幾乎無要求，柔性制造密集FBG陣列，兩FBG距離短可至毫米以下

• 全自動(dòng)制造，極大提升互換性和經(jīng)濟(jì)性

FsFBG的信號(hào)的溫度穩(wěn)定性高，可在1000C長(zhǎng)時(shí)間生存

各類光纖上制造的fsFBG的溫度信號(hào)穩(wěn)定

飛秒激光直寫技術(shù)刻制常規(guī)方法無法刻制的特殊光纖，如耐輻射摻氟光纖

輻射引發(fā)的常規(guī)光纖額外的光衰減

飛秒激光直寫技術(shù)透過光纖涂敷層刻?hào)牛Ａ敉糠髮幼杷畠?yōu)良性能

碳涂敷層阻水能力

飛秒激光直寫技術(shù)是全自動(dòng)高效方法

用于準(zhǔn)分布式溫度傳感的高密度弱反射FBG陣列

四、fsFBG傳感器分布式測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

監(jiān)測(cè)粉碎機(jī)的溫度分布，可布置多達(dá)192個(gè)fsFBG測(cè)溫點(diǎn)，兼容西門子工業(yè)總線

西門子PIDD部門總結(jié)近年FBG傳感系統(tǒng)進(jìn)展，認(rèn)為fsFBG的優(yōu)勢(shì)包括：

• 出廠已校準(zhǔn)

• 使用溫度范圍廣從約-230℃到500℃

• 長(zhǎng)期精度高（優(yōu)于ICE 60751 B級(jí)）

• 單條傳感光纖陣列上串行容納溫度傳感點(diǎn)多（可達(dá)192點(diǎn)）

• 輕小耐用通用的封裝形式（IP68插頭，不銹鋼毛細(xì)管)

• 在用戶要求的位置制造光纖Bragg光柵

• 有望成為下一代分布式溫度傳感系統(tǒng)的理想方案之一