fsFBG傳感器分布式高溫測溫系統應用實(shí)例

一、應變和溫度及其傳統測量方法

傳統測量應變及溫度的方法有電子應變片測量應變及熱電偶測量溫度，盤(pán)點(diǎn)電子應變片和熱電偶的缺點(diǎn)包括：?jiǎn)吸c(diǎn)測量、并行測量，無(wú)法復用；占用空間較大，系統復雜，可靠性低，不足以勝任大面積長(cháng)距離長(cháng)壽命監測；帶電和電火花風(fēng)險，無(wú)法用于易燃易爆工況；易受電磁場(chǎng)干擾，各類(lèi)輻射環(huán)境下無(wú)法長(cháng)期穩定工作。

電子應變片測量應變：1938年發(fā)明，把微小的機械應變轉換成可測的電阻變化

熱電偶測量溫度：常規溫度傳感器基于熱電原理或者電阻的溫度系數

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

2、另一類(lèi)光纖傳感系統

纖芯內“無(wú)“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”，利用纖芯內任何一點(diǎn)的Raman散射/ Rayleigh 散射/ Bouillouin散射獲得該點(diǎn)處的溫度和應變等動(dòng)態(tài)信息，更密集的連續分布式傳感，但取樣速率較低，硬件昂貴。

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

1、光纖傳感應用領(lǐng)域的挑戰

(1). 核電站，反應堆，散列中子源，核廢料存儲裝置 (高溫，強輻射)

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

(3). 燃氣輪機，汽輪機，航發(fā)，煤炭氣液化(高溫，高壓，反應性腐蝕氣體)

(4). 石油勘產(chǎn)(高溫，高壓，高濃度氫氣，水汽)

(5). 航空航天航海高級智能結構 (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)機器人的體內力學(xué)傳感

2、常規光纖Bragg光柵（FBG）技術(shù)缺陷

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

(2). 制造過(guò)程繁瑣：剝離-再涂敷，載氫，敏化, 退火, 再生，細芯重摻鍺...

(3). 剝離-再涂敷嚴重損害光纖機械強度，碳涂敷層，Ormocer涂敷層無(wú)法再涂敷

(4). 制造過(guò)程受掩模板限制缺乏靈活性

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

(6). 在純石英-，藍寶石-，氟化物-，硫族光纖無(wú)法/難以寫(xiě)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(xiě)光纖Bragg光柵（FsFBG）

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

獨有優(yōu)勢

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

• 透過(guò)涂敷層直寫(xiě)不受損害光纖本身強度

• 靈活制造，對光纖材料，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，極大提升互換性和經(jīng)濟性

FsFBG的信號的溫度穩定性高，可在1000C長(cháng)時(shí)間生存

各類(lèi)光纖上制造的fsFBG的溫度信號穩定

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

輻射引發(fā)的常規光纖額外的光衰減

飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)透過(guò)光纖涂敷層刻柵，保留涂敷層阻水優(yōu)良性能

碳涂敷層阻水能力

飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)是全自動(dòng)高效方法

用于準分布式溫度傳感的高密度弱反射FBG陣列

四、fsFBG傳感器分布式測溫系統應用實(shí)例

監測粉碎機的溫度分布，可布置多達192個(gè)fsFBG測溫點(diǎn)，兼容西門(mén)子工業(yè)總線(xiàn)

西門(mén)子PIDD部門(mén)總結近年FBG傳感系統進(jìn)展，認為fsFBG的優(yōu)勢包括：

• 出廠(chǎng)已校準

• 使用溫度范圍廣從約-230℃到500℃

• 長(cháng)期精度高（優(yōu)于ICE 60751 B級）

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

• 輕小耐用通用的封裝形式（IP68插頭，不銹鋼毛細管)

• 在用戶(hù)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的理想方案之一