如何設(shè)計光纖光柵傳感技術(shù)的系統(tǒng)？及應(yīng)用領(lǐng)域介紹

光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器、信號解調(diào)等組成。寬帶光源為系統(tǒng)提供光能量，光纖光柵傳感器利用光源的光波感應(yīng)外界被測量的信息，外界被測量的信息通過信號解調(diào)系統(tǒng)實時地反映出來。

光源性能的好壞決定著整個系統(tǒng)所送光信號的好壞。在光纖光柵傳感中，由于傳感量是對波長編碼，光源必須有較寬的帶寬和較強(qiáng)的輸出功率與穩(wěn)定性，以滿足分布式傳感系統(tǒng)中多點多參量測量的需要。光纖光柵傳感系統(tǒng)常用的光源的有LED，LD和摻雜不同濃度、不同種類的稀土離子的光源。

光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變同時敏感，即溫度與應(yīng)變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問題，實現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測量是傳感器實用化的前提。通過一定的技術(shù)來測定應(yīng)力和溫度變化來實現(xiàn)對溫度和應(yīng)力區(qū)分測量。這些技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過確定2個光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。區(qū)分測量技術(shù)大體可分為兩類，即，多光纖光柵測量和單光纖光柵測量。

光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)主要分為兩個模塊：光信號處理模塊與電信號處理模塊。光信號處理模塊主要用來跟蹤分析傳感光纖光柵的中心反射波長的漂移，將光信號波長信息轉(zhuǎn)換為電信號;電信號處理模塊主要用來完成對光信號處理模塊轉(zhuǎn)換來的電信號進(jìn)行處理和運(yùn)算，轉(zhuǎn)為數(shù)字信息，提取到外界信息后，最后以用戶熟悉、界面友好的形式輸出顯示。系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：光路系統(tǒng)，擴(kuò)展電路以及嵌入式控制系統(tǒng)。

1. 光路系統(tǒng)主要是由寬帶光源、光隔離器、3 dB耦合器、FBG傳感網(wǎng)絡(luò)及可調(diào)諧F—P濾波器部分等組建而成。光路系統(tǒng)需要外界提供掃描電壓給可調(diào)諧F—P濾波器，用來驅(qū)動可調(diào)諧F—P濾波器。

2. 2.擴(kuò)展電路主要包括A/D輸入模塊以及D/A輸出模塊。A/D輸入模塊中PIN光電二極管將FFP-TF的透射光譜轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過信號放大調(diào)理電路將光路系統(tǒng)輸出的電壓信號進(jìn)行放大調(diào)理，再送至STM32系統(tǒng)進(jìn)行A/D采樣。D/A輸出模塊用來對光路系統(tǒng)中的可調(diào)諧F—P濾波器提供掃描電壓。

3.A/D輸入模塊，光電檢測電路是由一個實為光-電流-電壓轉(zhuǎn)換的PIN光電二極管及相關(guān)電路部分組成。PIN光電二極管的缺點是輸出的電流一般只有數(shù)微安。PIN光電二極管將接收到的光信號變?yōu)榕c之成對應(yīng)比例的微弱電流信號，經(jīng)運(yùn)算放大器以及與PIN光電二極管的。串聯(lián)電阻所組成的放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號。持續(xù)光照的PIN光電二極管可看成一個電流源，當(dāng)它的負(fù)載阻抗為零時，輸出特性為最好。A/D轉(zhuǎn)換是采樣電路的核心，考慮到系統(tǒng)對分辨率、速度與精度等參數(shù)的要求，ADC芯片選用Burr-Brown公司出品的，16位精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，最高采樣頻率為100 kHz。超低功耗和體積小使ADS8320成為理想的便于攜帶和電池供電系統(tǒng)。

光纖光柵傳感在電力生產(chǎn)和輸變電監(jiān)測中的應(yīng)用

在電力工業(yè)中，電力設(shè)備大多處在強(qiáng)電強(qiáng)磁和高溫高電壓環(huán)境中，而且很多電力設(shè)備經(jīng)常需要安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，一般的傳統(tǒng)傳感器無法滿足需求，光纖光柵傳感器的抗電磁干擾特性和適宜遠(yuǎn)程監(jiān)測的特點可以很好的滿足這種需求，只需通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)就能夠?qū)崟r監(jiān)測電力設(shè)備的溫度變化和異常。光纖光柵傳感器這種突出的優(yōu)勢，有利于在變電站使用，同時采用分布式傳感，可以解決輸電過程中的監(jiān)測問題。比如應(yīng)對輸電線路結(jié)冰、風(fēng)致?lián)u曳、負(fù)荷超溫等。

光纖光柵傳感石油化工中的應(yīng)用

石油化工領(lǐng)業(yè)為易燃易爆的領(lǐng)域，傳統(tǒng)電子電學(xué)類物理傳感器并不適用于成品油的油氣罐、油氣管道的監(jiān)測。而光纖光柵耐腐蝕、抗電磁干擾，非常適合應(yīng)用在石油化工業(yè)中。其應(yīng)用點除了溫度和壓力測量，還有流量測量、井壓、振幅監(jiān)測等。在鉆探領(lǐng)域，高溫高氫環(huán)境可使用碳涂覆光纖光柵，這樣既可以避免氫致失效，又能夠在高溫環(huán)境中測得井內(nèi)壓力，避免井內(nèi)壓力過高影響生產(chǎn)。