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德國FiSens FBG傳感器陣列技術(shù)解析

一、 品牌與產(chǎn)品概述

FiSens GmbH是一家德國的技術(shù)型企業(yè)，專注于光纖傳感領(lǐng)域，其核心產(chǎn)品線之一是光纖布拉格光柵（FBG）傳感器陣列。這類產(chǎn)品將多個微型的FBG傳感器刻寫在同一根光纖的不同位置，并封裝于特定的保護(hù)結(jié)構(gòu)中（如熔融石英、不銹鋼或氧化鋁陶瓷毛細(xì)管），構(gòu)成可直接部署的傳感鏈。該設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)對沿光纖路徑分布的應(yīng)變或溫度變化進(jìn)行多點(diǎn)或準(zhǔn)分布式測量，適用于需要空間分辨率的監(jiān)測場景。產(chǎn)品通常預(yù)裝標(biāo)準(zhǔn)光纖連接器（如FC/APC），便于與解調(diào)設(shè)備集成。

二、 主要產(chǎn)品類型

FiSens提供的FBG技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品較為全面，主要包括：

? 標(biāo)準(zhǔn)FBG傳感器陣列：預(yù)封裝多FBG點(diǎn)的核心傳感產(chǎn)品。

? 裸FBG傳感光纖：未封裝的刻有FBG的光纖，用于高度定制化集成。

? 帶護(hù)套FBG傳感光纜：增強(qiáng)機(jī)械和環(huán)境防護(hù)的傳感光纜。

? 熔融石英毛細(xì)管封裝FBG陣列：采用熔融石英管保護(hù)的陣列，具備較好的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的耐溫性。

? 不銹鋼毛細(xì)管封裝FBG陣列：采用金屬管保護(hù)的陣列，提供良好的機(jī)械強(qiáng)度和屏蔽性。

? 氧化鋁陶瓷（AC）毛細(xì)管封裝FBG陣列：采用陶瓷管保護(hù)的陣列，側(cè)重高溫環(huán)境下的溫度測量。

? FC/APC接口單點(diǎn)FBG傳感器：帶標(biāo)準(zhǔn)連接器的單FBG傳感器。

? FiSpec系列FBG解調(diào)儀：用于讀取、解析FBG波長信號的核心設(shè)備，提供光信號輸入和數(shù)字輸出。

三、 主要型號示例

FiSens的產(chǎn)品型號通常反映其關(guān)鍵屬性（波長、封裝、功能），以下型號：

? FSA-850-FS: 工作波長850nm，熔融石英毛細(xì)管封裝傳感器陣列。

? FSA-850-SS: 工作波長850nm，不銹鋼毛細(xì)管封裝傳感器陣列。

? FSA-850-AC: 工作波長850nm，氧化鋁陶瓷毛細(xì)管封裝傳感器陣列。

? FSA-1550-FS: 工作波長1550nm，熔融石英毛細(xì)管封裝傳感器陣列。

? FBG-T-AC: 氧化鋁陶瓷封裝的高溫FBG溫度傳感器（單點(diǎn)或陣列）。

? FS-CAP-FS: 熔融石英毛細(xì)管（裸管）。

? FS-CAP-SS: 不銹鋼毛細(xì)管（裸管）。

? FS-CAP-AC: 氧化鋁陶瓷毛細(xì)管（裸管）。

四、 產(chǎn)品介紹與技術(shù)參數(shù)

1、產(chǎn)品：FBG傳感器陣列 (例：FSA-850-FS)

2、簡介：FSA-850-FS是在單根光纖上刻寫多個（標(biāo)準(zhǔn)或定制數(shù)量，通常上限為30個）FBG傳感器，并封裝在熔融石英毛細(xì)管中形成的陣列。每個FBG的位置和間距可根據(jù)應(yīng)用需求定制。該產(chǎn)品主要用于測量沿光纖長度方向分布的應(yīng)變或溫度變化。

3、工作原理：FBG是光纖纖芯折射率被周期性調(diào)制的區(qū)域。當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光通過FBG時，滿足布拉格條件（λ_B = 2n_eff * Λ）的特定波長光被反射，其余透射。當(dāng)FBG受到機(jī)械應(yīng)變（ε）或經(jīng)歷溫度變化（ΔT）時，其周期Λ和/或有效折射率n_eff發(fā)生改變，導(dǎo)致反射的中心波長λ_B產(chǎn)生漂移（Δλ_B）。該漂移量與應(yīng)變和溫度變化呈近似線性關(guān)系。通過解調(diào)儀精確測量每個FBG的波長偏移量Δλ_B，即可反演出對應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)變或溫度值。傳感器陣列通過識別不同位置FBG的波長變化來實(shí)現(xiàn)空間分辨測量。

4、技術(shù)參數(shù) (以FSA-850-FS系列)：

? 工作波長：850 nm (中心波長范圍通常為808 - 880 nm)

? 單光纖最大FBG數(shù)量：30

? 單個FBG長度：1 - 2 mm

? FBG最小間距：2 mm

? 光纖最大總長度：500 m

? 典型應(yīng)變靈敏度：≈ 1 pm/με (在850nm波段)

? 典型溫度靈敏度：≈ 10 pm/°C (在850nm波段，取決于光纖類型)

? 響應(yīng)時間 (熱)：50 - 200 ms (主要受封裝毛細(xì)管熱容和熱傳導(dǎo)影響)

5、工作溫度范圍 (熔融石英封裝)：

? 應(yīng)變測量：-40°C 至 +250°C (受限于粘接材料等)

? 溫度測量：-40°C 至 +300°C

? 偏振相關(guān)波長漂移 (PDW)：< 5 pm (典型值)

? 光纖連接器：FC/APC (常見選項(xiàng))

五、 核心特點(diǎn)

FiSens FBG傳感器陣列體現(xiàn)以下技術(shù)特點(diǎn)：

1、小尺寸與空間分辨率：單個FBG傳感器長度僅為1-2mm，可實(shí)現(xiàn)高密度的布點(diǎn)，精確捕捉應(yīng)變或溫度在空間上的梯度變化。

2、本質(zhì)抗電磁干擾：基于光信號傳感和傳輸，不受射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）影響，適用于強(qiáng)電磁場環(huán)境（如電力設(shè)施、電機(jī)附近）。

3、高度可配置性：FBG的數(shù)量（1至30個）、沿光纖的精確位置、FBG之間的間距（最小2mm）、光纖總長度（可達(dá)500m）以及封裝保護(hù)管的材質(zhì)（熔融石英/不銹鋼/氧化鋁陶瓷）均可根據(jù)具體應(yīng)用場景需求進(jìn)行定制。

4、耐溫性能 (特定封裝)：尤其是采用氧化鋁陶瓷（AC）封裝的型號，能夠在顯著更高的溫度環(huán)境（例如用于溫度測量時可達(dá)約+800°C）下保持工作能力。

5、單光纖多點(diǎn)測量：一根光纖集成多個傳感點(diǎn)，簡化了傳感網(wǎng)絡(luò)的布線和安裝復(fù)雜度，降低了成本，便于實(shí)現(xiàn)長距離分布式或準(zhǔn)分布式監(jiān)測。

六、 主要應(yīng)用領(lǐng)域

FiSens FBG傳感器陣列技術(shù)適用于需要長距離、多點(diǎn)或分布式傳感能力的領(lǐng)域：

1、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 (SHM)：大型土木工程結(jié)構(gòu)（橋梁、大壩、高層建筑、隧道）、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、飛機(jī)部件）、管道與管廊的長期應(yīng)變和溫度分布監(jiān)測，評估結(jié)構(gòu)完整性、載荷狀態(tài)及損傷。

2、工業(yè)過程與設(shè)備監(jiān)控：大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械（發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、渦輪機(jī)）的溫度分布監(jiān)測與熱點(diǎn)檢測；壓力容器、反應(yīng)釜的過程溫度監(jiān)控；關(guān)鍵機(jī)械部件的應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測（如軸承、齒輪箱）。

3、能源基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測：高壓電力電纜的分布式溫度傳感（DTS），用于載流量動態(tài)監(jiān)測和熱點(diǎn)定位；石油天然氣輸送管道的溫度與應(yīng)變監(jiān)測，輔助泄漏檢測和管道完整性管理；地?zé)峋O(jiān)測。

4、交通運(yùn)輸：航空航天器（機(jī)身、機(jī)翼、起落架）結(jié)構(gòu)應(yīng)變與溫度監(jiān)測；鐵路軌道（鋼軌應(yīng)力、道岔狀態(tài)）監(jiān)測；車輛（測試與運(yùn)行中部件）應(yīng)變分析。

5、科研與材料測試：材料科學(xué)中材料特性（如熱膨脹系數(shù)、固化收縮）研究；模型試驗(yàn)（地質(zhì)力學(xué)、土木模型）中的多點(diǎn)應(yīng)變溫度測量；生物醫(yī)學(xué)研究中的微創(chuàng)傳感（需特殊生物相容封裝）。