fsFBG傳感器分布式高溫測溫系統(tǒng)應用實例

一、應變和溫度及其傳統(tǒng)測量方法

傳統(tǒng)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，盤點電子應變片和熱電偶的缺點包括：單點測量、并行測量，無法復用；占用空間較大，系統(tǒng)復雜，可靠性低，不足以勝任大面積長距離長壽命監(jiān)測；帶電和電火花風險，無法用于易燃易爆工況；易受電磁場干擾，各類輻射環(huán)境下無法長期穩(wěn)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(zhuǎn)換成可測的電阻變化

熱電偶測量溫度：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）技術優(yōu)勢

2、另一類光纖傳感系統(tǒng)

纖芯內(nèi)“無“光柵 ：OTDR

光時域反射法 ：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“雷達”，利用纖芯內(nèi)任何一點的Raman散射/ Rayleigh 散射/ Bouillouin散射獲得該點處的溫度和應變等動態(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、飛秒激光逐點直寫FBG(fsFBG)傳感器及其優(yōu)勢

1、光纖傳感應用領域的挑戰(zhàn)

(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 (高功率瞬時溫度沖擊)

(8). 手術機器人的體內(nèi)力學傳感

2、常規(guī)光纖Bragg光柵（FBG）技術缺陷

(1). 非永久光柵，長時穩(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涂敷層無法再涂敷

(4). 制造過程受掩模板限制缺乏靈活性

(5). 單個光柵點折射率調(diào)制低，易退化，光柵長度大。

(6). 在純石英-，藍寶石-，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格高昂，或者需熔接

3、飛秒逐點直寫光纖Bragg光柵（FsFBG）

新型飛秒激光逐點直寫技術高效靈活制造高端 FBG：fsFBG

獨有優(yōu)勢

• 飛秒激光的非線性光學效應產(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度

• 靈活制造，對光纖材料，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

• 全自動制造，極大提升互換性和經(jīng)濟性

FsFBG的信號的溫度穩(wěn)定性高，可在1000C長時間生存

各類光纖上制造的fsFBG的溫度信號穩(wěn)定

飛秒激光直寫技術刻制常規(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

飛秒激光直寫技術透過光纖涂敷層刻柵，保留涂敷層阻水優(yōu)良性能

碳涂敷層阻水能力

飛秒激光直寫技術是全自動高效方法

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(tǒng)應用實例

監(jiān)測粉碎機的溫度分布，可布置多達192個fsFBG測溫點，兼容西門子工業(yè)總線

西門子PIDD部門總結近年FBG傳感系統(tǒng)進展，認為fsFBG的優(yōu)勢包括：

• 出廠已校準

• 使用溫度范圍廣從約-230℃到500℃

• 長期精度高（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多（可達192點）

• 輕小耐用通用的封裝形式（IP68插頭，不銹鋼毛細管)

• 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