常見光纖傳感器比較

常見光纖傳感器比較



法布利-比羅特(簡稱FP)、布拉格光柵(簡稱FBG)和熒光式光纖傳感器都是當(dāng)前流行，技術(shù)上也比較先進(jìn)的傳感器。因?yàn)樗鼈兌际腔诠饫w，所以有很多共同的特點(diǎn)，比如抗電磁干擾可應(yīng)用于惡劣環(huán)境(沒有加入電磁過程)，傳輸距離長（光纖中光衰減慢），使用壽命長， 結(jié)構(gòu)小巧等等，這里就不再贅述。我們將重點(diǎn)討論他們的不同。

精度
應(yīng)該說它們都具有很高的精度，都可以滿足絕大多數(shù)需求。但如果進(jìn)行深入的探討，從理論上，光纖光柵傳感器所能達(dá)到的精度要為高。從加工的角度來說FP的傳感精度主要決定于腔長的加工精度，而FBG的精度主要決定于光柵周期間距與有效折射率的控制。當(dāng)加工精度都得到保證的時候，F(xiàn)BG將憑借其本身測量機(jī)理中優(yōu)異線性度取勝。從傳感原理可以看出，F(xiàn)P的腔長變化轉(zhuǎn)化為Δλ是通過相位變化和干涉實(shí)現(xiàn)的，這是一個非線性過程，而FBG直接通過公式λB=2neffΛ 實(shí)現(xiàn)有效折射率和光柵周期關(guān)于Δλ的轉(zhuǎn)化，完全線性，理論上說將能提供更好的精度。除此以外，光纖光柵反射光在頻域內(nèi)較之FP干涉極大波包更為尖銳，因此對其中心譜線的測量也應(yīng)當(dāng)更為精確。熒光式測溫精度主要取決于熒光物質(zhì)受激發(fā)出熒光的特性和對熒光光強(qiáng)度變化的檢測，目前的技術(shù)工藝水平，使其測量精度與前兩種技術(shù)相當(dāng)，其成本會隨精度和測量范圍而變化。但在實(shí)際產(chǎn)品中，測量精度受到具體廠家對產(chǎn)品本身的材料、工藝加工水平、信號解調(diào)器分辨率等客觀因素的影響，還需要針對具體的產(chǎn)品進(jìn)行具體對比。

集成度與組網(wǎng)
在這方面，F(xiàn)BG無疑有著很明顯的優(yōu)勢。光纖光柵其本身的特點(diǎn)使得每個探點(diǎn)僅利用相當(dāng)少的光源分量，絕大部分光都透過并繼續(xù)傳播。根據(jù)上文介紹，一根光纖上可以最多同時使用30個光柵，傳輸距離超過45km。這一特點(diǎn)無疑為組網(wǎng)帶來巨大便利。同時波分復(fù)用等技術(shù)的使用，也提高了這一技術(shù)的可行性。總得來說FBG非常適合做大范圍多節(jié)點(diǎn)的分布式測量。至于FP和熒光式，則對于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)將更容易實(shí)現(xiàn)。

復(fù)雜度
FP和熒光式系統(tǒng)的復(fù)雜度應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)低于FBG，其中熒光式最簡單。 正如原理部分所闡述，前兩種傳感器技術(shù)最終都?xì)w結(jié)到對Δλ的測量，明顯的，因?yàn)镕BG的信號弱，并且多伴有解復(fù)用要求，其系統(tǒng)要遠(yuǎn)復(fù)雜于FP。而熒光式屬于光強(qiáng)檢測，相對更加簡單。

響應(yīng)頻率
響應(yīng)頻率更多的取決于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與濾波解調(diào)設(shè)備的響應(yīng)速度。 FBG需要一個高性能的解調(diào)解復(fù)用接收端，接收端的處理能力往往會影響到其響應(yīng)頻率。 FP和熒光式因其相對簡單，響應(yīng)頻率一般可以得到保證。

光源
根據(jù)上文的討論，F(xiàn)BG對光源的要求相當(dāng)高，需要大功率寬帶光源或可調(diào)諧光源。而FP和熒光式的要求則要低得多，這得益于FP有較強(qiáng)的反射信號，及熒光式的光源僅需起到激發(fā)熒光的作用即可。

靈活性與適用范圍
三者的探頭都是相當(dāng)小巧與靈活的，但是FBG顯然要受制于其復(fù)雜的波長移位檢測技術(shù)。在溫度較高的環(huán)境中(300 °C) 左右，光柵將有可能被擦去。所以FBG不適用于較大的溫度范圍。

成本
根據(jù)以上討論，就單測點(diǎn)（或少數(shù)測點(diǎn)，如少于50個測點(diǎn)）時，F(xiàn)P和熒光式系統(tǒng)因?yàn)閺?fù)雜性低，波長移位檢測技術(shù)簡單，光源要求低等條件，無疑要占據(jù)優(yōu)勢。而熒光式最具成本優(yōu)勢。然而，對于大型超過50節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，F(xiàn)P和熒光式因?yàn)槠浣M網(wǎng)的困難，會帶來的成本的迅速上升。

綜上所述，一般認(rèn)為FBG傳感器適用于大型，復(fù)雜，高精度要求的低溫分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。而FP和熒光式響應(yīng)頻率快（可達(dá)200KHz）、探頭體積小（微米量級）、光源壽命長等優(yōu)點(diǎn)，則適用于靈活，小型，簡單的傳感系統(tǒng)。熒光式尤其具備高溫測量和低成本的優(yōu)勢。