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選擇濕度傳感器注意的若干問題 傳感器是如何工作的

時間:2020-08-04    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
前言
人類的生存和社會活動與濕度密切相關。隨著現(xiàn)代化的實現(xiàn),很難找出一個與濕度無關的領域來。由于應用領域不同,對濕度傳感器的技術要求也不同。從制造角度看,同是濕度傳感器,材料、結構不同,工藝不同.其性能和技術指標有很大差異,因而價格也相差甚遠。對使用者來說,選擇濕度傳感器時,首先要搞清楚需要什么樣的傳感器;自己的財力允許選購什么檔次的產(chǎn)品,權衡好“需要與可能”的關系,不致于盲目行事。我們從與用戶的來往中,覺得有以下幾個問題值得注意。
1.選擇測量范圍
和測量重量、溫度一樣,選擇濕度傳感器首先要確定測量范圍。除了氣象、科研部門外,搞溫、濕度測控的一般不需要全濕程(0-100%RH)測量。在當今的信息時代,傳感器技術與計算機技術、自動控制拄術緊密結合著。測量的目的在于控制,測量范圍與控制范圍合稱使用范圍。當然,對不需要搞測控系統(tǒng)的應用者來說,直接選擇通用型濕度儀就可以了。下面列舉一些應用領域對濕度傳感器使用溫度、濕度的不同要求,供使用者參考(見表1)。用戶根據(jù)需要向傳感器生產(chǎn)廠提出測量范圍,生產(chǎn)廠優(yōu)先保證用戶在使用范圍內(nèi)傳感器的性能穩(wěn)定一致,求得合理的性能價格比,對雙方來講是一件相得益彰的事情。
2、選擇測量精度
和測量范圍一樣,測量精度同是傳感器較為重要的指標。每提高—個百分點.對傳感器來說就是上一個臺階,甚至是上一個檔次。因為要達到不同的精度,其制造成本相差很大,售價也相差甚遠。例如進口的1只廉價的濕度傳感器只有幾美元,而1只供標定用的全濕程濕度傳感器要幾百美元,相差近百倍。所以使用者一定要量體裁衣,不宜盲目追求“高、精、尖”。
生產(chǎn)廠商往往是分段給出其濕度傳感器的精度的。如中、低溫段(0一80%RH)為±2%RH,而高濕段(80—100%RH)為±4%RH。而且此精度是在某一指定溫度下(如25℃)的值。如在不同溫度下使用濕度傳感器.其示值還要考慮溫度漂移的影響。眾所周知,相對濕度是溫度的函數(shù),溫度嚴重地影響著指定空間內(nèi)的相對濕度。溫度每變化0.1℃。將產(chǎn)生0.5%RH的濕度變化(誤差)。使用場合如果難以做到恒溫,則提出過高的測濕精度是不合適的。因為濕度隨著溫度的變化也漂忽不定的話,奢談測濕精度將失去實際意義。所以控濕首先要控好溫,這就是大量應用的往往是溫濕度—體化傳感器而不單純是濕度傳感器的緣故。
多數(shù)情況下,如果沒有精確的控溫手段,或者被測空間是非密封的,±5%RH的精度就足夠了。對于要求精確控制恒溫、恒濕的局部空間,或者需要隨時跟蹤記錄濕度變化的場合,再選用±3%RH
以上精度的濕度傳感器。與此相對應的溫度傳感器.其測溫精度須足±0.3℃以上,起碼是±0.5℃的。而精度高于±2%RH的要求恐怕連校準傳感器的標準濕度發(fā)生器也難以做到,更何況傳感器自身了。國家標準物質研究中心濕度室的文章認為:“相對濕度測量儀表,即使在20—25℃下,要達到2%RH的準確度仍是很困難的?!?BR>3、考慮時漂和溫漂
幾乎所有的傳感器都存在時漂和溫漂。由于濕度傳感器必須和大氣中的水汽相接觸,所以不能密封。這就決定了它的穩(wěn)定性和壽命是有限的。一般情況下,生產(chǎn)廠商會標明1次標定的有效使用時間為1年或2年,到期負責重新標定。請使用者在選擇傳感器時考慮好日后重新標定的渠道,不要貪圖便宜或迷信洋貨而忽略了售后服務問屬。
溫漂在上1節(jié)已經(jīng)提到。選擇濕度傳感器要考慮應用場合的溫度變化范圍,看所選傳感器在指定溫度下能否正常工作,溫漂是否超出設計指標。要提醒使用者注意的是:電容式濕度傳感器的溫度系數(shù)α是個變量,它隨使用溫度、濕度范圍而異。這是因為水和高分子聚合物的介電系數(shù)隨溫度的改變是不同步的,而溫度系數(shù)α又主要取決于水和感濕材料的介電系數(shù),所以電容式濕敏元件的溫度系數(shù)并非常數(shù)。電容式濕度傳感器在常溫、中濕段的溫度系數(shù)最小,5-25℃時,中低濕段的溫漂可忽略不計。但在高溫高濕區(qū)或負溫高濕區(qū)使用時,就一定要考慮溫漂的影響,進行必要的補償或訂正。 領域 部門 溫度(℃) 溫度(%RH)
紡織 紡紗廠 23 60
織布廠 18 85
醫(yī)藥 制藥廠 10~ 30 50~60
手術室 23~ 26 50~60
輕工 印刷廠 23~ 27 49~51
卷煙廠 21~ 24 55~65
火柴廠 18~22 50
電子 半導體 22 30~45
計算機房 20~30 40~70
通 訊 電纜充氣 -10~30 0~20
食 品 啤酒發(fā)酵 4~8 50~70
農(nóng)業(yè) 良種培育 15~40 40~75
人工大棚 5~40 40~100
倉儲 水果冷凍 -3~5 80~90
地下菜窖 -3~ -1 70~ 80
文物保管 16~18 50~55
注:在不同領域的使用范圍(%RH/℃)
4.與傳統(tǒng)測濕方法的關系
早在18世紀人類就發(fā)明了干濕球和毛發(fā)濕度計,而電子式濕度傳感器是近幾十年.特別是近20年才迅速發(fā)展起來的。新舊事物的交替與人們的觀念轉變很有關系。由于干濕球、毛發(fā)濕度計的價格仍明顯低于濕度傳感器,造成一部分人對電子濕度傳感器價格的不認可。正好像用慣了掃帚的人改用吸塵器時,總覺得花幾百元錢買一臺吸塵器有些不上算,不如花幾元錢買把掃帚那樣心理容易平衡。
由于傳統(tǒng)測濕方法在人們的腦海中印象太深了,一些人形成了只有干濕球濕度計才是準確的固有概念。有些用戶拿干濕球濕度計來對比剛購得的濕度傳感器,如發(fā)現(xiàn)示值不同,馬上認為濕度傳感器不準。須知干濕球的準確度只有5%一7%RH,不但低于電子濕度傳感器,而且還取決于干球、濕球兩支溫度計本身的精度;濕度計必須處于通風狀態(tài):只有紗布水套、水質、風速都滿足一定要求時,才能達到規(guī)定的準確度。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標準濕度發(fā)生器來逐支標定,常用分流式標準濕度發(fā)生器來進行標定。所以希望用戶在需要校準時也采用相同的方法,避免用準確度低的器具去校準或比對精度高的傳感器。
5、其它注意事項
濕度傳感器是非密封性的,為保護測量的準確度和穩(wěn)定性,應盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為正確反映欲測空間的濕度,還應避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。如果被測的房間太大,就應放置多個傳感器。
有的濕度傳感器對供電電源要求比較高,否則將影響測量精度.或者傳感器之間相互干擾,甚至無法工作。使用時應技要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。
傳感器需要進行遠距離信號傳輸時,要注意信號的衰減問題。當傳輸距離超過200m以上時,建議選用頻率輸出信號的濕度傳感器。
由于濕敏元件都存在一定的分散性,無論進口或國產(chǎn)的傳感器都需逐支調(diào)試標定。大多數(shù)在更換濕敏元件后需要重新調(diào)試標定,對于測量精度比較高的濕度傳感器尤其重要。

光纖傳感器(fibre sensor)的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器,使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后,導致光的光學性質發(fā)生變化,成為被調(diào)制的信號光,在經(jīng)過光纖送入光探測器,經(jīng)解調(diào)后,獲得被測參數(shù)。光纖傳感器的優(yōu)點是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比,光纖傳感器用光作為敏感信息的載體,用光纖作為傳遞敏感信息的媒質,具有光纖及光學測量的特點,有一系列獨特的優(yōu)點。光纖傳感器可用于位移、震動、轉動、壓力、彎曲、應變等的測量。

光纖傳感器是伴隨著光纖及光纖通信技術的發(fā)展而逐步形成的一種新型傳感器。光纖傳感器耐腐蝕、對介質的影響小、具有很強的抗電磁干擾能力,與傳統(tǒng)的各類傳感器相比,光纖傳感器用光作為敏感信息的載體,用光纖作為傳遞敏感信息的媒質,具有光纖及光學測量的特點,這一新技術近年來在我國諸多領域得到了廣泛的應用。

 

特點

1因反射體中使用了棱鏡,所以與通用的反射型光控傳感器器相比,其檢測性能更高、更可靠

2 與分離式光控傳感器相比,電路連接更簡單容易。

3 子母扣嵌入式的設計,安裝更為簡單

用途

1用于測檢復印機、傳真機、打印機、印刷機等的紙張通過/剩余狀況

2檢測自動售賀機、金融終端有關的設備、點鈔機的紙幣、卡、硬幣、存折等的通過情況

3原理

編輯

光纖傳感器的基本工作原理[3]是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器,使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化,稱為被調(diào)制的信號光,再過利用被測量對光的傳輸特性施加的影響,完成測量.

1.光纖的結構

2.光纖的傳光原理

3.光纖傳感器工作原理[4]

(1)功能型——利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成

(2)傳光型——光纖僅僅起傳輸光的作用,它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化。

光纖傳感器的測量原理有兩種。

(1)物性型光纖傳感器原理,物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性,將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應,即光纖在外界環(huán)境因素,如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時,其傳光特性,如相位與光強,會發(fā)生變化的現(xiàn)象。

因此,如果能測出通過光纖的光相位、光強變化,就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。激光器的點光源光束擴散為平行波,經(jīng)分光器分為兩路,一為基準光路,另一為測量光路。外界參數(shù)(溫度、壓力、振動等)引起光纖長度的變化和相位的光相位變化,從而產(chǎn)生不同數(shù)量的干涉條紋,對它的模向移動進行計數(shù),就可測量溫度或壓等。

(2)結構型光纖傳感器原理,結構型光纖傳感器是由光檢測元件(敏感元件)與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質,所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。

4特點

編輯

一。靈敏度較高;

二。幾何形狀具有多方面的適應性,可以制成任意形狀的光纖傳感器;

三??梢灾圃靷鞲懈鞣N不同物理信息(聲、磁、溫度、旋轉等)的器件;

四。可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境;

五。而且具有與光纖遙測技術的內(nèi)在相容性。

光纖傳感器的優(yōu)點是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比,光纖傳感器用光作為敏感信息的載體,用光纖作為傳遞敏感信息的媒質,具有光纖及光學測量的特點,有一系列獨特的優(yōu)點。電絕緣性能好,抗電磁干擾能力強,非侵入性,高靈敏度,容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控,耐腐蝕,防爆,光路有可撓曲性,便于與計算機聯(lián)接。

傳感器朝著靈敏、、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展,它能夠在人達不到的地方(如高溫區(qū)或者對人有害的地區(qū),如核輻射區(qū)),起到人的耳目作用,而且還能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。

5性能

編輯

光纖具有很多優(yōu)異的性能,例如:具有抗電磁和原子輻射干擾的性能,徑細、質軟、重量輕的機械性能;絕緣、無感應的電氣性能;耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等,它能夠在人達不到的地方,或者對人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū)),起到人的耳目的作用,而且還能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。

6應用

編輯

絕緣子污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流、光纖傳感器可用于位移、震動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、PH值和應變等物理量的測量。光纖傳感器的應用范圍很廣,幾乎涉及國民經(jīng)濟和國防上所有重要領域和人們的日常生活,尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用,解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術難題,具有很大的市場需求。主要表現(xiàn)在以下幾個方面的應用:

城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中,用于測試應力松弛、施工應力和動荷載應力,從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態(tài)的結構性能。

在電力系統(tǒng),需要測定溫度、電流等參數(shù),如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內(nèi)的溫度檢測等,由于電類傳感器易受電磁場的干擾,無法在這類場合中使用,只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術,分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點,還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力,利用這種特點我們可以連續(xù)實時測量光纖沿線幾公里內(nèi)各點溫度,定位精度可達米的量級,測量精度可達1度的水平,非常適用大范圍交點測溫的應用場合。

7分類

編輯

根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式可以分為:強度調(diào)制型、偏振態(tài)制型、相位制型、頻率制型;

根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為:干涉型和非干涉型;

根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測被測量可分為:分布式和點分式;

光纖傳感器根據(jù)光纖在傳感器中的作用可以分為:一類是功能型(Functional Fiber,縮寫為FF)傳感器,又稱為傳感型傳感器; 另一類是非功能型(Non Functional Fiber縮寫為NFF),又稱為傳光型傳感器。

功能型傳感器

功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制, 使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化, 再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào), 從而得出被測信號。

光纖在其中不僅是導光媒質,而且也是敏感元件,光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制,多采用多模光纖。

優(yōu)點:結構緊湊、靈敏度高。

缺點:須用特殊光纖,成本高,

典型例子:光纖陀螺、光纖水聽器等

非功能型光纖傳感器

非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質,常采用單模光纖。

光纖在其中僅起導光作用,光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。

優(yōu)點:光纖即可用于電氣隔離,有用于數(shù)據(jù)傳輸,且光纖傳輸?shù)男盘柌皇茈姶鸥蓴_的影響。

實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。AnyWay的變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器、變頻功率傳感器(一種電壓、電流組合式傳感器)就屬于非功能型的光纖傳感器,在復雜電磁環(huán)境下的電量測量中,有其獨到的優(yōu)勢。

光纖傳感器是近幾年出現(xiàn)的新技術,可以用來測量多種物理量,比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等,還可以完成現(xiàn)有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里,在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里,光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。光纖傳感器有70多種,大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

所謂光纖自身的傳感器,就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化,從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹?、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉(比較),使輸出的光的相位(或振幅)發(fā)生變化,根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高,利用干涉技術能夠檢測出10的負4次方弧度的微小相位變化所對應的物理量。利用光纖的繞性和低損耗,能夠將很長的光纖盤成直徑很小的光纖圈,以增加利用長度,獲得更高的靈敏度。

光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時,就會產(chǎn)生微彎曲,而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波,它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲,通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種,與激光陀螺相比,光纖陀螺靈敏度高,體積小,成本低,可以用于飛機、艦船、dao彈等的高性能慣性導航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計的原理。

光纖布拉格光柵傳感器

光纖布拉格光柵傳感器(FBS)是一種使用頻率zui高,范圍廣的光纖傳感器,這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會根據(jù)其被照射的光波強度而永jiu改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

當一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候,光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波,這個波長稱為布拉格波長,這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長的光波,而其它波長的光波都會被傳播。

按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。

傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用,同時又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對光纖自身的影響,待測量的物理量通過光纖作用于傳感器上,使光波導的屬性(光強、相位、偏振態(tài)、波長等)被調(diào)制。傳感器型光纖傳感器又分為光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等。[7]

傳光型光纖傳感器

傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過被測對象所調(diào)制的光信號輸入光纖后,通過在輸出端進行光信號處理而進行測量的,這類傳感器帶有另外的感光元件對待測物理量敏感,光纖僅作為傳光元件,必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調(diào)制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據(jù)其測量范圍還可分為點式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中,分布式光纖傳感器被用來檢測大型結構的應變分布,可以快速無損測量結構的位移、內(nèi)部或表面應力等重要參數(shù)。用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器,F(xiàn)abry-pero腔式光纖傳感器,光纖布喇格光柵傳感器等。

光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長期穩(wěn)定性,使其能夠方便的應用于建筑鋼結構和混凝土等各種建筑材料的內(nèi)部應力、應變檢測。實現(xiàn)的建筑結構的健康檢測。

光纖傳感器的另外一個大類是利用光纖的傳感器。其結構大致如下:傳感器位于光纖端部,光纖只是光的傳輸線,將被測量的物理量變換成為光的振幅,相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣,使用簡便,但是精度比第yi類傳感器稍低。

光纖在傳感器家族中是后起之秀,它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應用,是在生產(chǎn)實踐中值得注意的一種傳感器。

光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀,并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨到的作用,成為傳感器家族中不可缺少的一員。

8案例

編輯

應用于土木工程領域

隨著光纖傳感器技術的發(fā)展,在土木工程領域光纖傳感器得到了廣泛的應用,用來測量混凝土結構變形及內(nèi)部應力,檢測大型結構、橋梁健康狀況等,其中主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應變傳感器使用。

光纖傳感器可以黏貼在結構物表面用于測量,同時也可以通過預埋實現(xiàn)結構物內(nèi)部物理量的測量。利用預先埋入的光纖傳感器,可以對混凝土結構內(nèi)部損傷過程中內(nèi)部應變的測量,再根據(jù)荷載-應變關系曲線斜率,可確定結構內(nèi)部損傷的形成和擴展方式。通過混凝土實驗表明,光纖測試的載荷-應變曲線比應變片測試的線性度高。[8]

應用于檢測技術

光纖傳感器在航天(飛機及航天器各部位壓力測量、溫度測量、陀螺等)、航海(聲納等)、石油開采(液面高度、流量測量、二相流中空隙度的測量)、電力傳輸(高壓輸電網(wǎng)的電流測量、電壓測量)、核工業(yè)(放射劑量測量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測)、醫(yī)療(血液流速測量、血壓及心音測量)、科學研究(地球自轉)等眾多領域都得到了廣泛應用。[9]

應用于石油工業(yè)

在石油測井技術中,可以利用光纖傳感器實現(xiàn)井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測量。較成熟的應用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測量井下的壓力和溫度。非本征光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理,當被測的溫度或者壓力發(fā)生變化時干涉條紋改變,光纖F—P腔的腔長也隨之發(fā)生變化,通過計算腔長的變化實現(xiàn)溫度和壓力的測量。[10]

應用于溫度測量

光纖傳感技術是伴隨光通信的迅速發(fā)展而形成的新技術。在光通信系統(tǒng)中,光纖是光波信號長距離傳輸?shù)拿劫|。當光波在光纖中傳輸時,表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態(tài)等特征參量,會因溫度、壓力、磁場、電場等外界因素的作用而發(fā)生變化,故可以將光纖用作傳感器元件,探測導致光波信號變化的各種物理量的大小,這就是光纖傳感器。利用外界因素引起光纖相位變化來探測物理量的裝置,稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器,其他還有振幅調(diào)制傳感型、偏振態(tài)調(diào)制型、傳光型等各種光纖傳感器。

應用于測量金屬絲楊氏模量

采用傳感器測量儀代替光杠桿鏡尺組組成新的楊氏模量測量系統(tǒng),不僅操作簡短,而且提高了測量結果的度和準確度。金屬絲傳統(tǒng)的拉伸法的基本原理是將金屬絲受到砍碼的作用力后的微小伸長形變量通過鏡尺組的光路轉換而將之放大若干倍數(shù),從而得到微小伸長,再通過計算得到楊氏模量值。

而自從有的傳感器,我們把光纖傳感器測量新方法和上述方法對比,光纖傳感器的測量在靈敏度、度及準確度上都有提高。紅外光測距系統(tǒng)測量的基本原理為采用紅外光光纖傳感器直接測量微小位移,紅外光光纖傳感器對于3mm以內(nèi)的微小距離測量的線性度是非常高的。系統(tǒng)由傳感器測量儀與反射式光纖位移傳感器組成.

反射式光纖位移傳感器的工作原理是采用兩束多模光纖,一端合并組成光纖探頭,另一端分為兩束,分別作為接收光纖和光源光纖。當光發(fā)射器發(fā)生的紅外光,經(jīng)光源光纖照射至反射體,被反射的光經(jīng)接收光纖,傳至光電轉換元件將接收到的光信號轉換為電信號。其輸出的光強與反射體距光纖探頭的距離之間存在一定的函數(shù)關系,所以可通過對光強的檢測得到位移量。在楊氏模量儀的金屬絲處的圓柱體上利用磁鐵固定鍍鎳反射金屬片,使其能隨鋼絲伸長而移動。在支架臺上固定紅外傳感器,而后在傳感器測量儀上通過改變位移將實驗得到的電勢差值,通過多次測試,既轉動傳感器測量儀自帶的螟旋測微儀,也即改變探頭與金屬片的距離和位置,當出現(xiàn)實驗記錄的鋼絲仲長所對應的電勢差值時,記錄此時的螺旋測微儀讀數(shù)。測試表明采用紅外光測距此方法操作簡單。只需將探頭和反射片安裝好后就可以直接開始在托盤上加法碼實際測量了,側量的結果是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測試。

9組成結構

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光纖傳感器網(wǎng)的三種基本構成

[11] 光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構成,其中一個叫單點式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔?,另外一種叫多點式傳感器,在這里一根光纖把很多傳感器串起來,這樣很多傳感器可以共用光源實現(xiàn)網(wǎng)絡性監(jiān)測。再有就是智能光纖傳感器。

多點式光纖傳感器,從外表看就是一節(jié)光柵,通過紫外線照射發(fā)現(xiàn)有周期性的間隔。當有光纖入射的時候,如果光纖的波長正好等于間隔的兩倍,那么這個光波將會受到強烈的反射,而如果光纖受到溫度變化或者應變等等,這個反射波長將會發(fā)生變化,這種傳感器在一根光纖上可以做很多個,把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應用。

因為光纖是軟的,它可以兩維、三維,所以橫軸是空間的位置,縱軸是測量對象。這樣一個傳感網(wǎng)解決了什么問題呢?它解決了在什么位置上發(fā)生了什么事情,那個事情有多少個強度的問題,也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題,它有非常突出的特點要求,包括體積小、強度高、穩(wěn)定性好,可植入材料中??闺姶鸥蓴_、耐環(huán)境。

光纖傳感器已經(jīng)成功應用于飛機結構監(jiān)測。我們看到A-380和波音787,它們的特點是超過一半數(shù)量是碳纖維,比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失,一個是層與層之間的剝離,由于這種材料比較強,所以很難像鋁合金材料那樣實行碳酸檢測,所以研究人員現(xiàn)在開始研究把光纖傳感器埋到復合材料當中去,由于這種材料一層大概125微米的厚度,所以這種光纖傳感器必須是特別細小的光纖傳感器,大概直徑在50個微米左右。

我們說光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用語光纖通訊網(wǎng)的診斷技術。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應用,國內(nèi)有很多企業(yè)在這方面開展了卓有成效的工作。

10行業(yè)分析

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光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器,使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化,成為被調(diào)制的信號光,在經(jīng)過光纖送入光探測器,經(jīng)解調(diào)后,獲得被測參數(shù)。

由于在傳統(tǒng)終端市場的應用可能性擴大以及新應用領域的新興機會所推動,智研咨詢顯示,2013年全球光纖傳感器市場規(guī)模為18.9億美元。預計,到2020年,全球光纖傳感器市場預計達35億美元(約合人民幣217.2億元)。

傳統(tǒng)終端市場包括航空航天、國防、石油天然氣開采、基礎設施發(fā)展和電信行業(yè)。傳統(tǒng)終端市場的發(fā)展將繼續(xù)推進全球光纖傳感器市場的增長。通信行業(yè)從3G到4G網(wǎng)絡的持續(xù)過渡、關注智能結構的增長、基礎設施建設的新興增長、石油天然氣領域的發(fā)展都為市場增長提供了重要機遇。

尤其是在新興市場中,如中國和印度,增長的制造活動、上升的汽車需求、穩(wěn)定的基礎設施建設活動以及國防支出的增加,都成為全球光纖傳感器行業(yè)發(fā)展的驅動因素。

11發(fā)展前景

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光纖傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)市場上,應用為廣泛的光纖傳感技術當屬布拉格光纖光柵和基于光時域反射的分布式傳感器,這種技術基本上可以滿足中低端市場的需求[12]。而現(xiàn)在光譜線寬窄至2kHz的單頻光纖激光器及其引申出來的一代光傳感技術,這與傳統(tǒng)的光纖傳感有很大的區(qū)別,它可以進行超遠距離的傳輸,精度和敏感度能達到更高的要求,這在市場上需求很大,21世紀初,該項技術在國內(nèi)尚處于立項和預研階段。

國內(nèi)市場上光纖傳感器應用主要在以下四種:光纖陀螺、光纖光柵傳感器、光纖電流傳感器和光纖水聽器。下面對這四種產(chǎn)品分別介紹一下。

一、光纖陀螺。

 光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型,這是三代光纖陀螺的代表。第yi代干涉型光纖陀螺,21實際初期,該項技術就已經(jīng)成熟,適合進行批量生產(chǎn)和商品化;第二代諧振型光纖陀螺,暫時還處于實驗室研究向實用化推進的發(fā)展階段;第三代布里淵型,它還處于理論研究階段。光纖陀螺結構根據(jù)所采用的光學元件有三種實現(xiàn)方法:小型分立元件系統(tǒng)、全光纖系統(tǒng)和集成光學元件系統(tǒng)。21世紀初期,分立光學元件技術已經(jīng)基本退出,全光纖系統(tǒng)用在開環(huán)低精度、低成本的光纖陀螺中,集成光學器件陀螺由于其工藝簡單、總體重復性好、成本低,所以在高精度光纖陀螺很受歡迎,是其主要實現(xiàn)方法。

光纖光柵傳感器。

 目前國內(nèi)外傳感器領域的研究熱點之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統(tǒng)光纖傳感器基本上可分為兩種類型:光強型和干涉型。光強型傳感器的缺點在于光源不穩(wěn)定,而且光纖損耗和探測器容易老化;干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強同等,所以 需要固定參考點而導致應用不方便。21實際初期開發(fā)的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器可以避免出現(xiàn)上面兩種情況,其傳感信號為波長調(diào)制、復用能力強。在建筑健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等應用中,光纖光柵傳感器是li想的靈敏元件。光纖光柵傳感器在地球動力學、航天器、電力工業(yè)和化學傳感中有廣泛的應用。

光纖電流傳感器。

電力工業(yè)的迅猛發(fā)展帶動電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加,運行電壓等級也越來越高,電流也越來越大,這樣測量起來就非常困難,這就顯現(xiàn)出光纖電流傳感器的優(yōu)點了。在電力系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的用來測量電流的傳感器是以電磁感應為基礎,這就存在以下缺點:它容易爆炸以至引起災難性事故;大故障電流會造成鐵芯磁飽和;鐵芯發(fā)生共振效應;頻率響應慢;測量精度低;信號易受干擾;體積重量大、價格昂貴等等,已經(jīng)很難滿足新一代數(shù)字電力網(wǎng)的發(fā)展需要。這個時候光纖電流傳感器應運而生。

光纖水聽器。

 光纖水聽器主要用來測量水下聲信號,它通過高靈敏度的光纖相干檢測,將水聲信號轉換為光信號,并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)進行識別。與傳統(tǒng)水聽器相比,光纖水聽器具有靈敏度高、響應帶寬寬、不受電磁干擾等特點,廣泛用于軍事和石油勘探、環(huán)境檢測等領域,具有很大的發(fā)展?jié)摿?。光纖水聽器按原理可分為干涉型、強度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關鍵技術已經(jīng)逐步發(fā)展成熟,在部分領域形成產(chǎn)品;光纖光柵水聽器則是當前研究的熱點,研究的關鍵技術涉及光源、光纖器件、探頭技術、抗偏振衰落技術、抗相位衰落技術、信號處理技術、多路復用技術以及工程技術等。

光纖傳感器技術是建立在光纖、光通信和光電子技術的基礎上發(fā)展起來的,電磁干擾和腐蝕作用對它的影響很小,還能適應各種惡劣的氣象環(huán)境,不要額外的電源進行供電,就可以長距離的進行傳輸,已成為傳感器行業(yè)的研究熱點。

傳感器一直朝著靈敏、、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中,光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍卻是倍受青睞?! 」饫w具有很多優(yōu)異的性能,例如:抗電磁干擾和原子輻射的性能。光纖傳感器應用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。其應用范圍十分廣泛。因此我們可以說光纖傳感器具有很大的市場需求,不說長久,至少在未來5年,光纖傳感器將會有廣闊的發(fā)展前景。

光纖傳感技術及其相關技術的迅速發(fā)展,滿足了各類控制裝置及系統(tǒng)對信息的獲取與傳輸提出的更高要求,使得各領域的自動化程度越來越高,作為系統(tǒng)信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。光纖傳感器技術發(fā)展的主要方向是:(1)多用途。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量,要能夠對多種物理量進行同時測量。(2)提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度,降低其成本,設計復雜的傳感器網(wǎng)絡工程。注意分布式傳感器的參數(shù),即壓力、溫度,特別是化學參數(shù)(碳氫化合物、一些污染物、濕度、PH值等)對光纖的影響。(3)新型傳感材料、傳感技術等的開發(fā)。(4)在惡劣條件下(高溫、高壓、化學腐蝕)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的開發(fā)和應用。(5)光纖連接器及與其它微技術結合的微光學技術。

光纖傳感運用主要分為五大方向:

(1)石油和天然氣——油藏監(jiān)測井下的P/T傳感、地震陣列、能源工業(yè)、發(fā)電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機、電力電纜、渦輪機運輸、煉油廠;

(2)航空航天——噴氣發(fā)動機、火箭推進系統(tǒng)、機身;

(3)民用基礎建設——橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡;

(4)交通運輸——鐵路監(jiān)控、運動中的重量、運輸安全;

(5)生物醫(yī)學——醫(yī)用溫度壓力、顱內(nèi)壓測量、微創(chuàng)手術、一次性探頭。

 

 

如有疑問請點擊:光纖傳感器的詳詢介紹


  扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉速及機械功率的精密測量儀器。應用范圍十分廣泛,主要用于:1、電動機、發(fā)動機、內(nèi)燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率的檢測;2、風機、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測;3、鐵路機車、汽車、拖拉機、飛機、船舶、礦山機械中的扭矩及功率的檢測;4、可用于污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測;5、可用于制造粘度計;6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中。
  
  常用的動態(tài)扭矩傳感器主要有以下形式:
  
  首先是電感式扭矩傳感器:該種類型的傳感器主要是采用了一種非接觸的測量方式,這種扭矩傳感器的壽命較長,可靠性高,不易受到磨損。其次是電位計式扭矩傳感器:該種類型傳感器按照類型可以分為齒輪式,扭桿式,旋臂式。而其中扭桿式測量結構簡單、可靠性能相對比較高,在早期應用比較多。該類型的傳感器都屬于接觸式,存在磨損,降低了其性能。
  
  還有一種就是金屬電阻應變片式:該種類型扭矩傳感器主要是在彈性軸上粘貼應變片組成測量電橋,而當彈性軸受扭矩作用時,它會產(chǎn)生一種微小變形后而引起電橋電阻變化,而應變電橋電阻的變化轉變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓瘡亩鴮崿F(xiàn)我們想要的扭矩測量。但是,該種類型扭矩傳感器受應變片材料及穩(wěn)壓電源精度影響較大。
  
  動態(tài)扭矩傳感器的保養(yǎng)
  
  1.每隔一年應給扭矩傳感器兩端軸承加潤滑脂。加潤滑脂時,僅將兩端軸承蓋打開,將潤滑脂加入軸承,然后裝上兩端蓋。
  
  2.應儲存在干燥、無腐蝕、室溫為-20℃——70℃的環(huán)境里。
  
  動態(tài)扭矩傳感器的注意事項:
  
  1.安裝時,不能帶電操作,切莫直接敲打、碰撞傳感器。
  
  2.聯(lián)軸器的緊固螺栓應擰緊,聯(lián)軸器的外面應加防護罩,避免人身傷害。
  
  3.信號線輸出不得對地,對電源短路,輸出電流不大于10mA·屏蔽電纜線的屏蔽層必須與+15V電源的公共端(電源地)連接。
  
  動態(tài)扭矩傳感器的安裝使用:
  
  使用環(huán)境:扭矩傳感器應安裝在環(huán)境溫度為0℃~60℃,相對濕度小于90%,無易燃、易爆品的環(huán)境里。不宜安裝在強電磁干擾的環(huán)境中。
  
  連接方式:扭矩傳感器與動力設備、負載設備之間的連接
  
 ?。?)彈性柱銷聯(lián)軸器連接如圖13所示,此種連接方式結構簡單,加工容易,維護方便。能夠微量補償安裝誤差造成的軸的相對偏移,同時能起到輕微減振的作用。適用于中等載荷、起動頻繁的高低速運轉場合,工作溫度為-20-70℃。
  
  (2)剛性聯(lián)軸器連接如圖14所示,這種連接形式結構簡單,成本低,無補償性能,不能緩沖減振,對兩軸的安裝精度較高。用于振動很小的工況條件。
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