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光纖應(yīng)變傳感器的原理和特點

2019年9月26日 分類:技術(shù)解答

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固有光纖應(yīng)變傳感器,其中光纖本身就是傳感器。其他類型的光纖傳感器使用光纖本身來傳輸光,而不是進行測量。

光纖通常由玻璃纖維或石英纖維和塑料涂層組成。它很像普通的電信光纖,最長可達幾公里,沿其長度有許多測量點。光纖本身由兩層組成:纖芯和較低密度的包層。將塑料涂層包裹在石英纖維周圍以進行保護。

那么,纖芯和包層之間的密度差異為何如此重要?激光用于使光通過光纖。兩種不同的纖維材料密度會形成一個屏障,將光引導(dǎo)到纖維內(nèi)部,從而不會散射。為使此工作有效,光纖不能彎曲的太嚴重。它很靈活,不會破裂,但是光線可能會在彎道處逸出。

光纖作為傳感器

為了創(chuàng)建實際的應(yīng)變傳感器,在生產(chǎn)過程中用所謂的光纖布拉格光柵(FBG)內(nèi)接光纖。這基本上是材料干涉的一種模式,它與光纖其余部分的反射方式不同。為了更好地理解,您可以將光纖可視化為圓柱狀的透明材料,其中包含許多薄片。當激光發(fā)出的光照射到該圖案時,某些波長會被反射,而其他波長則會通過。

重大干擾(“切片”)以一定間隔放置。當光纖被拉伸或壓縮時(因此受到正應(yīng)變或負應(yīng)變),這些間隔會改變。拉伸光纖時,光纖會伸長,空間會變大,反之亦然。

當FBG處于應(yīng)變狀態(tài)時,反射的光不僅需要更長或更短的時間才能傳播回來,而且反射的波長也會發(fā)生變化。用科學(xué)術(shù)語來說,F(xiàn)BG具有一定的折射率。材料的折射率描述了穿過材料時多少光被彎曲或折射。當光柵由于應(yīng)變而改變形狀時,其折射率也改變。

一個光纖布拉格光柵的整體長度約為5毫米,盡管肉眼無法看到單獨的材料干涉,只有在顯微鏡下才能看到。”?許多光纖布拉格光柵可以刻在一根長光纖中,每根光纖光柵都可以作為單獨的應(yīng)變傳感器使用。

當將光纖施加到一種材料上時,它將與這種材料一起被拉緊。所測量的應(yīng)變繼而將允許分析材料中的機械應(yīng)力,這是大多數(shù)應(yīng)變測量的目的。

舉一個實際的例子,當將纖維施加到長隧道的壁上時,當壁的材料中存在應(yīng)力時,纖維會拉緊。例如,這可能是由于火車駛過而引起的振動。多年來,當墻面沉降或什至出現(xiàn)薄弱點或裂縫時,從有關(guān)應(yīng)變的信息以及傳感器所獲得的機械應(yīng)力的信息中就可以看出這一點,這是需要維護的有用早期指示。

為了進行測量,需要將光纖連接到所謂的詢問器。它連續(xù)發(fā)出不同波長的光,一次發(fā)出一個,從而涵蓋了廣譜。這稱為“掃頻激光器”。光傳播通過光纖,在某些時候被FBG反射并返回到詢問器。

由于各個FBG的周期不同,因此可以區(qū)分不同傳感器的信號。其余的光到達光纖末端時會折射,以免干擾測量??梢詮腇BG返回的原始光信號中推斷出實際應(yīng)變以及材料應(yīng)力。

溫度補償至關(guān)重要

基于光纖布拉格光柵的光纖傳感器極易受溫度影響。顯然,纖維與其他任何材料一樣,在溫度升高時會膨脹,而在溫度降低時會收縮。折射率也改變。沒有補償,這將導(dǎo)致應(yīng)變的測量不是由材料應(yīng)力引起的,而是由溫度變化引起的。有幾種補償技術(shù),包括:

  • 在光纖應(yīng)變傳感器旁邊安裝光纖溫度傳感器;通過比較數(shù)據(jù)并減去溫度影響,可以進行數(shù)學(xué)補償。
  • 將兩個FBG置于推挽式配置中,以便在承受壓力時將其中一個壓縮,而將另一個拉伸。兩者的溫度效應(yīng)是相同的(例如延長),但是機械應(yīng)力的影響卻不同:對于一個FBG,應(yīng)變在牽引下是“正”的,而對于另一個FBG,應(yīng)變是“負”的,因為它被壓縮了。因此,數(shù)學(xué)補償成為可能。
  • 將光纖封裝在機械設(shè)備中,該機械設(shè)備在與被測材料相反的方向上膨脹,從而使施加到FBG的應(yīng)力消除了溫度影響,并且不需要進行數(shù)學(xué)補償。

光纖傳感器的應(yīng)用
“作為光纖測溫項目的一部分,我們的傳感器需要在強烈的電磁場下,應(yīng)對大約-40°C至300°C的巨大溫度范圍的光學(xué)應(yīng)變傳感器應(yīng)用之一。

例如,在結(jié)構(gòu)健康或基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)監(jiān)視中,可以發(fā)現(xiàn)較少使用的應(yīng)用程序。由于單根光纖可以容納數(shù)百個傳感器,因此與傳統(tǒng)的應(yīng)變儀相比,光纜技術(shù)和安裝成本更低,因此光學(xué)技術(shù)可為大型項目(例如隧道或管道監(jiān)控)提供支持。

此外,光學(xué)測量技術(shù)是所有需要解決傳統(tǒng)應(yīng)變儀所需電力問題的應(yīng)用的首選,包括具有大量電磁干擾(如太空)或極易爆炸的環(huán)境(如煉油廠)的環(huán)境,在電應(yīng)變計不起作用的地方,光學(xué)應(yīng)變計可能會起作用。

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