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極端環(huán)境下光纖傳感解決方案

1、應(yīng)變和溫度及其傳統(tǒng)測(cè)量方法
應(yīng)變定義：

應(yīng)力a = F/A

單位面積A上的正壓力F

應(yīng)變 lb = Al/10:

力F作用下物件相對(duì)于原長(zhǎng)(10)長(zhǎng)度變化(Al)

彈性模量

E : lb = a/E

 1、材料屈服和斷裂: 在過(guò)大的載荷下的失效
2、材料在1%的周期性載荷下的失效
應(yīng)變的意義：

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，測(cè)量應(yīng)力可保證工件的強(qiáng)度，壽命和安全余量

2、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行中，監(jiān)測(cè)應(yīng)力能探測(cè)并避免有害變形


Eschede高速火車輪軌引起的事故
無(wú)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的災(zāi)害性后果：彗星客機(jī)鋁蒙皮疲勞
電子應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變：

電子應(yīng)變片：

1938年E. E. Simmons和A. C. Ruge發(fā)明把微小的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化，通過(guò)電橋電路測(cè)量

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)

常規(guī)溫度傳感器基于熱電原理或者電阻的溫度系數(shù)：
并行測(cè)量無(wú)法復(fù)用 單點(diǎn)測(cè)量；占地較大，約平方厘米；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(wú)法用于易燃易爆特殊環(huán)境；易受電磁場(chǎng)干擾，各類輻射環(huán)境下無(wú)法測(cè)量


2、光纖傳感器和光纖Bragg光柵傳感器(FBG):特點(diǎn)與局限
挑戰(zhàn)：應(yīng)力傳感器
70年代起航空工業(yè)對(duì)應(yīng)力測(cè)量的新挑戰(zhàn)：上千個(gè)應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)，精確測(cè)量


光纖 Bragg光柵(FBG)解決方案：

康寧公司1970年實(shí)現(xiàn)了Charles Kuen Kao預(yù)言的低損光纖


Ken Hill 1978年在光纖內(nèi)寫入了 Bragg光柵(FBG)；之后NASA開創(chuàng)性的把FBG用于航空航天大面積結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。

光纖 Bragg光柵(FBG)原理：

康寧公司1970年實(shí)現(xiàn)了C窄帶光學(xué)濾波器，實(shí)時(shí)靈敏的感受光柵位置的溫度和應(yīng)變harles Kuen Kao預(yù)言的低損光纖。

光纖Bragg光柵(FBG)傳感器架構(gòu)：

串行部署,每個(gè)FBG的反射波長(zhǎng)作為其自身標(biāo)志。

光纖Bragg光柵(FBG)傳感器的優(yōu)勢(shì)：

■ 輕小

■ 免受電磁干擾和輻射影響

■ 化學(xué)穩(wěn)定 

■ 機(jī)械強(qiáng)度高

■ 長(zhǎng)壽命

■ 并行測(cè)量可復(fù)用

■ 測(cè)絕對(duì)量

■ 精確無(wú)需校正

■ 易部署可貼表，可植入，可集成

■ 無(wú)源器件無(wú)電火花

另一類光纖傳感器：

■ 分布纖芯內(nèi)“無(wú)“光柵 

■ OTDR 光頻域反射法 

■ DTS 光時(shí)域反射法 

■ OFDR 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。



光纖傳感器市場(chǎng)：
光纖傳感器趨勢(shì)：
3、飛秒激光逐點(diǎn)直寫FBG傳感器(fsFBG)及其優(yōu)勢(shì)
光纖Bragg光柵(FBG)傳感器新挑戰(zhàn)：

■ 核電站（高溫，強(qiáng)輻射）

■ 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）

■ 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）

■ 石油勘產(chǎn)(高溫，高壓，高濃度氫氣，水汽）

■ 航空航天高級(jí)智能結(jié)構(gòu)（植入，高溫焊接）

■ 微波和激光消融手術(shù)（高功率瞬時(shí)溫度沖擊）

■ 高功率光纖激光器（耐用Bragg反射鏡，脈沖整形）

■ 光纖通訊（柔性波分復(fù)用系統(tǒng)，色散補(bǔ)償）


■ 各類輻射導(dǎo)致光纖和常規(guī)FBG損壞 耐輻射 光纖性能 

■ 高溫＞300℃)和溫度沖擊導(dǎo)致常規(guī)FBG失效 耐高溫 

■ 高功率光纖激光器損壞常規(guī)Bragg反射鏡 耐高功率  FBG原理

■ 植入型光纖傳感器 激光 更細(xì)，更耐用  

■ 水和氫滲入引起光衰減和和變脆 耐腐蝕 涂敷層 

■ 光纖通訊需要特殊波長(zhǎng)FBG 

■ 醫(yī)療傳感器的極短，高密度FBG  靈活性 FBG制造工藝

■ 各類新型光纖器件按需定制


常規(guī)光纖Bragg光柵(FBG)傳感器缺陷：

■ 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

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

■ 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(wú)法再涂敷

■ 制造過(guò)程受掩模板限制缺乏靈活性

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

■ 在純石英-，藍(lán)寶石-，氟化物-，硫族光纖 無(wú)法/難以寫入FBG

■ 單纖FBG陣列受成品率限制價(jià)格高昂，或者需熔接


創(chuàng)新：飛秒激光逐點(diǎn)直寫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(guò)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(wú)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，很大提升互換性和經(jīng)濟(jì)性


飛秒激光逐點(diǎn)直寫FBG(fsFBG)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：
（1）fsFBG使用范圍遠(yuǎn)高于常規(guī)FBG
（2）fs FBG的信號(hào)的溫度穩(wěn)定性高 ,可在1000C長(zhǎng)時(shí)間生存。
（3）各類光纖上制造的fsFBG的溫度信號(hào)的漂移率低。
（4）飛秒激光直寫技術(shù)刻制常規(guī)方法無(wú)法刻制的特殊光纖，如耐輻射摻氟光纖

■ 特種摻氟光纖對(duì)核輻射有很 好耐受性

■ 飛秒激光直寫技術(shù)是在氟化 物光纖里刻?hào)诺奈ㄒ环椒?/span>


（5）飛秒激光直寫技術(shù)透過(guò)光纖涂敷層刻?hào)?，保留涂敷層阻水?yōu)良性能

■ 水滲入打斷光 纖的氧硅鍵， 減低光纖機(jī)械強(qiáng)度并引起額外光衰減

■ 碳密封涂敷層 能長(zhǎng)期阻止水 對(duì)光纖腐蝕作用


（6）飛秒激光直寫技術(shù)透過(guò)光纖涂敷層刻?hào)?，保留涂敷層阻氫?yōu)良性能

■ 隔絕氫和水的碳涂敷層無(wú)法 再涂敷

■ 飛秒激光直寫技術(shù)透過(guò)碳涂 敷層刻?hào)诺奈ㄒ环椒?/span>

■ 飛秒激光是在抗氫暗化的純 石英光纖里刻?hào)诺奈ㄒ环椒?/span>

■ 不損害涂敷層故機(jī)械強(qiáng)度高


（7）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FBG高密度陣列

■ 2dB的高穩(wěn)定性

■ 相鄰兩FBG的zui小距離短至毫米 ，可能解決FBG 固有的交叉敏感性問(wèn)題

■ 全自動(dòng)方法每日 可制造1000個(gè) fsFBG

飛秒激光逐點(diǎn)直寫FBG(fsFBG)規(guī)格：
fsFBG類型
可透過(guò)的涂敷層
fsFBG 可靠性
可用光纖類型
FBG類型

■ 單纖單個(gè)fsFBG

■ 用戶定制的方式

fsFBG陣列(單纖多fsFBG)

■ 陣列內(nèi)fsFBG的

■ 單纖內(nèi)可制造數(shù)千fsFBG

■ 間距從毫米到

公里

■ Bragg波長(zhǎng)大于 800nm，其他波 長(zhǎng)請(qǐng)咨詢

■ 波長(zhǎng)誤差0. 2 nm

■ 類解調(diào)原理(基 于光譜儀，波長(zhǎng) 掃描激光，邊帶 濾波解調(diào)） 

■ Pure silica 光纖

■ 藍(lán)寶石光纖

■ 硫化物光纖

■ 光纖激光光纖

■ 單模和多模光纖

■ 標(biāo)準(zhǔn)通訊光纖

■ 丙烯酸酯

■ 聚酰亞胺（PI) 碳/聚酰亞胺

■ Ormecer

■ 無(wú)需剝離無(wú)需 纖

■ 聚酰亞胺涂敷層 的fsFBG使用溫 度至300℃

■ fsFBG本身的穩(wěn) 定性至1000℃

■ fsFBG抗拉強(qiáng)度 > 200kpsi

封裝保護(hù)的fsFBG溫度傳感器：
溫度傳感器

■ 免受電磁干擾

■ 對(duì)溫度變化靈敏度高，相應(yīng)快

■ 穩(wěn)定耐用

■ 輕小細(xì),布線極簡(jiǎn)


規(guī)格

■ 溫度使用范圍-40叱到+400%

(用于髙達(dá)9502C的溫度傳感器即將面世) 

■ 一般使用波長(zhǎng):1460 nm到1640nm 

■ 單傳感器上可集成的傳感點(diǎn)數(shù)量:1到50 

■ 毛細(xì)管鎧裝外徑2 0.8 mm 

■ 連接器：FC/APC, FC/PC or LC/APC

■ 光纖類型:SMF-28及其兼容單模光纖


封裝保護(hù)的fsFBG應(yīng)變/加速度/力傳感器：
應(yīng)力傳感器(研發(fā)即將完成）

■ 測(cè)量范圍±5000微應(yīng)變(pm/m)

■ 使用溫度范圍-20℃到+ 200℃

加速度傳感器(OEM)

■ 測(cè)量范圍(帶寬）土 200 m / s

■ 測(cè)量靈敏度0.05 nm / g

■ 使用溫度范圍-40℃to + 200℃


力傳感器

■ 測(cè)量范圍> 240 kN 

■ 測(cè)量靈敏度~ 17pm/kN


4、fsFBG傳感器在特殊惡劣環(huán)境中的zui新應(yīng)用
案例1：鋼鐵工業(yè)中分布式多點(diǎn)髙溫測(cè)量

■ 鋼鐵工業(yè)中熱壓板上的溫 度分布測(cè)量


■ 水冷式熱壓板溫度不許超 過(guò)350℃


■ 高溫,大面積，連續(xù)，實(shí)時(shí)，在 線監(jiān)測(cè)溫度需求


■ 每條光纖上多達(dá)50個(gè)fsFBG 作為溫度傳感點(diǎn)


■ 整個(gè)監(jiān)測(cè)表面可布設(shè)500個(gè)傳感點(diǎn)，傳感系統(tǒng)可以擴(kuò)展至20路以上


■ 溫度監(jiān)測(cè)范圍至400℃


5、基于飛秒激光逐點(diǎn)直寫FBG的傳感器的展望

飛秒激光通過(guò)涂敷層逐點(diǎn)直寫FBG (fsFBG)是以下領(lǐng)域傳感的可靠解決方案：


■ 核輻射環(huán)境，聚變反應(yīng)器溫度監(jiān)測(cè)，同步輻射和自由電子激光器溫度應(yīng)變監(jiān)測(cè)

■ 燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)，航發(fā)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

■ 高溫燃燒器：超超臨界鍋爐，循環(huán)流化床鍋爐

■ 油氣勘產(chǎn)監(jiān)測(cè)，煤氣化液化裝置，石化裂解裝置，化學(xué)反應(yīng)器，光熱電站

■ 航空航天高端復(fù)合材料的耐高溫可焊接傳感器和智能結(jié)構(gòu)可植入傳感器

■ 高功率高溫微波或激光加熱裝置，醫(yī)用輻射和消融裝置的溫度監(jiān)測(cè)，光纖激光器耐高功率的Bragg反射鏡

■ 光孤子控制，光纖飛秒光學(xué)頻率梳，光纖天文望遠(yuǎn)鏡濾波，光子燈籠技術(shù)。

■ 電力線，變壓器監(jiān)測(cè)，受電弓監(jiān)測(cè)