jyx123321的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/jyx123321 高分子材料/复合材料/物理凝胶 山东大学材料科学与工程学院教授

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为什么工业互联网时代的光纤光栅类传感器更重要

已有 3182 次阅读 2019-9-19 17:01 |个人分类:未分类|系统分类:观点评述|关键词:学者| 工业互联网, 物联网, 传感器, 光纤光栅

 

我在918日写了一篇短文《展望工业互联网时代的传感器》,网页链接:

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=99553&do=blog&id=1198441

有博友评论“可能贾老师您说的“便于把多种物理量的检测集于一身的光纤光栅类传感器才会迎来爆发式的增长机会”是对的。因为我搞生物医学传感器研究时,知道光纤传感器,至于光纤光栅传感器甚至当时都没有听到过。我想这类传感器可能像您说的那样好。但是需要检测的信息种类实在太多了,也不只是物理量,可能还需要各种各类不同的传感器”。

特别感谢这位博友老师的精彩评论!为了便于阅读并且不受博文后评论字数的限制,我回复如下,请大家批评指正。

按光纤在光纤传感器中的作用,可分为传感型(或者称为功能型)和传光型(或者称为非功能型)两种类型。

传感型(或者称为功能型)是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测的物理量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质,而且也是敏感元件,光在光纤内受被测量调制,多采用多模光纤。优点:结构紧凑、灵敏度高。缺点:须用特殊光纤,成本高。

传光型(或者称为非功能型)是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质,常采用单模光纤。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。其中,光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg Grating, FBG)是一种使用频率最高、范围最广的光纤传感器。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法将一小段光敏感的光纤(选取长度通常是10mm)暴露在一个光强周期分布的光波下面,这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变,这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候,光折射率被改变以后的每一微段光纤(通常工业技术水平下的长度是1微米左右,但是这里的“每一微段光纤”在同一个光栅区里有近万个,且规则排列)就只会反射一种特定波长的光波,这个波长称为布拉格波长,这种特性就使得这个光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波,而其它波长的光波都会继续正向传播。这种光纤传感器可以用来测量多种物理量,比如声场、电场、压力场、应力应变场、位移场、温度场、角速度场、加速度场。我们团队的最新研究成果则发现,以合适的功能高分子材料作为光纤光栅区的敏感材料,其可以定量、准确地辨识多种气体及其浓度。在同一根光纤上,可以刻制上百个光栅区,并使得每个光栅区具有与众不同的指纹”(即“光栅栅距”,从而使得每个光栅区反射的光的中心波长各不相同---通常的工业技术可以使得工业刻栅所得的反射光波长公差小于+/-0.5nm3dB带宽≤0.3nm、该指纹光波的反射率≥90%、隔离度≥15dB)。既然同一根光纤上的众多数量的光栅区各有各的独一无二的指纹”特征,理论上就可以在每个光栅区根据自己的检测方案涂覆相应的敏感膜、做相应的物理量的测试,而不必去理睬其他光栅涂覆什么材料和做什么物理量的检测。例如,1533nm波长的光栅区被用于测试环境温度,而它的左邻(1531nm波长的光栅区测试固体结构应力应变)右舍(1535nm波长的光栅区测试气体中的甲烷浓度)各行其是,互不干涉,以此类推。这就可以使得多种物理量的在线实时监测可以用同一根光纤传感器来完成。也只有如此的统一化,才能大幅度地降低传感器系统的成本,提高安装和维护效率,减小传感系统的安装空间要求,同时使得解调装置和软件统一起来,进一步大幅度降低成本和安装要求。



https://m.sciencenet.cn/blog-99553-1198642.html

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2 范振英 李剑超

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