【導讀】能夠適應不斷變化的應用要求的測量系統是首選，因為不斷增長的成本壓力需要較長的系統壽命和功能靈活性。開發此類系統的最有效方法是使用像PXI這樣的軟件定義的模塊化架構。可以混合和匹配各種PXI模塊，以實現高度定制的系統。
這些模塊中的大多數執行電測量，但是許多應用具有環境或物理限制，使得電傳感器的使用極具挑戰性。幸運的是，光纖傳感器的固有特性解決或消除了許多這些問題。了解光纖傳感的基礎知識，這項新技術如何解決電傳感器面臨的許多問題。
光學傳感基礎知識
傳統的電傳感器使用傳感器將物理現象轉換為電信號，然后通過數據采集系統對其進行調節，數字化和縮放至預期值。盡管它們無處不在，但這些傳感器具有固有的局限性，并且在某些類型的應用中使用電傳感器是不切實際的，如果不是完全不可能的話。光纖傳感器為這些挑戰提供了出色的解決方案。
從根本上說，光纖傳感器的工作方式與電氣傳感器類似，但使用光而不是電和玻璃纖維代替銅線。在電傳感器可以調節諸如電流，電阻或電壓的電特性的情況下，光纖傳感器調制光的一個或多個屬性，包括強度，相位，偏振或波長。
光學傳感技術取決于光纖 - 一種比人類頭發更薄的玻璃，在其核心內傳輸光。該光纖由三個主要部分組成：芯，包層和緩沖涂層。包層將雜散光反射回核心，確保通過核心傳輸，同時光線損失最小。這是通過確保芯材料具有比包層更高的折射率來實現的，從而引起光的完全內反射。外部緩沖涂層可保護光纖免受外部條件和物理損壞。它可以包含許多層，具體取決于所需的堅固程度。
圖1：典型光纖的橫截面
盡管存在許多類型的光纖傳感器，但最常用的是光纖布拉格光柵（FBG）。布拉格光柵是折射率的變化，它們以稱為光柵周期的周期性間隔“寫入”光纖的纖芯內。當輸入光信號照射到FBG上時，光柵之間的間隔導致每個光柵的反射相長干涉并反射特定波長的光，稱為布拉格波長（見圖2）。
圖2：FBG光學傳感器的操作
應變和溫度的變化影響FBG的有效折射率（ne）和光柵周期（Λ），這導致根據下面的等式1的反射布拉格波長（B）的偏移。因此，可以測量波長偏移以確定應變和/或溫度的相應變化。由于應變和溫度都會影響布拉格波長（從而影響測量），因此溫度補償是大溫度或應變范圍測試的重要考慮因素。
FBG可以制造成具有各種光柵周期并因此具有各種布拉格波長，使得同一光纖上的不同FBG傳感器能夠反射獨特的光波長。這使得每個波長在光譜范圍內彼此可區分。基于它們各自的布拉格波長在同一光纖上區分FBG的過程稱為波分復用。只要與每次測量相關的波長偏移不會導致一個FBG傳感器的布拉格波長跨越另一個FBG傳感器的布拉格波長，同一光纖上的數十個傳感器就可以進行獨立測量。
用光學傳感解決問題
任何一直在努力解決噪音過濾，屏蔽，布線問題或傳感器損壞問題的人都可以告訴您，電子傳感器有一些應用難以適應。使用電子傳感器時遇到的四個最棘手的挑戰是在電氣惡劣條件下保持可靠性，抵御惡劣環境中的退化，使用多個傳感器經濟地檢測大面積區域，以及將傳統傳感器安裝到受限空間中。通過使用光纖傳感器而不是電傳感器可以解決這些棘手問題中的每一個。
高電磁干擾和高壓環境
電磁干擾（EMI）是電傳感器系統最常見的測量誤差和故障源之一。在高EMI情況下的電傳感器信號測量，例如近大功率發電機，電動機或其他AC電源，特別容易失真。這些環境通常包括高壓組件，這些組件可能會損壞甚至破壞傳統的傳感器系統。過濾和隔離儀器可以在一定程度上降低高EMI和高電壓的風險，但它們具有有限的噪聲抑制和隔離級別。
同樣，光纖傳感器由玻璃制成，并且完全不導電且電無源。這使得它們甚至可以抵抗最高水平的EMI，并且完全不受環境中高壓或電流的影響。例如，您可以將光纖溫度傳感器直接連接到超高功率組件，例如電機繞組，變壓器和電源線，以便在運行期間進行高精度熱特性分析。
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