光纖應(yīng)變傳感器的原理和特點(diǎn)
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(jìn)行測(cè)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(zhǎng)可達(dá)幾公里,沿其長(zhǎng)度有許多測(cè)量點(diǎn)。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(jìn)行保護(hù)。
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(huì)形成一個(gè)屏障,將光引導(dǎo)到纖維內(nèi)部,從而不會(huì)散射。為使此工作有效,光纖不能彎曲的太嚴(yán)重。它很靈活,不會(huì)破裂,但是光線可能會(huì)在彎道處逸出。
光纖作為傳感器
為了創(chuàng)建實(shí)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(dāng)激光發(fā)出的光照射到該圖案時(shí),某些波長(zhǎng)會(huì)被反射,而其他波長(zhǎng)則會(huì)通過。
重大干擾(“切片”)以一定間隔放置。當(dāng)光纖被拉伸或壓縮時(shí)(因此受到正應(yīng)變或負(fù)應(yīng)變),這些間隔會(huì)改變。拉伸光纖時(shí),光纖會(huì)伸長(zhǎng),空間會(huì)變大,反之亦然。
當(dāng)FBG處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí),反射的光不僅需要更長(zhǎng)或更短的時(shí)間才能傳播回來,而且反射的波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化。用科學(xué)術(shù)語(yǔ)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(shí)多少光被彎曲或折射。當(dāng)光柵由于應(yīng)變而改變形狀時(shí),其折射率也改變。
一個(gè)光纖布拉格光柵的整體長(zhǎng)度約為5毫米,盡管肉眼無法看到單獨(dú)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(zhǎng)光纖中,每根光纖光柵都可以作為單獨(dú)的應(yīng)變傳感器使用。
當(dāng)將光纖施加到一種材料上時(shí),它將與這種材料一起被拉緊。所測(cè)量的應(yīng)變繼而將允許分析材料中的機(jī)械應(yīng)力,這是大多數(shù)應(yīng)變測(cè)量的目的。
舉一個(gè)實(shí)際的例子,當(dāng)將纖維施加到長(zhǎng)隧道的壁上時(shí),當(dāng)壁的材料中存在應(yīng)力時(shí),纖維會(huì)拉緊。例如,這可能是由于火車駛過而引起的振動(dòng)。多年來,當(dāng)墻面沉降或什至出現(xiàn)薄弱點(diǎn)或裂縫時(shí),從有關(guān)應(yīng)變的信息以及傳感器所獲得的機(jī)械應(yīng)力的信息中就可以看出這一點(diǎn),這是需要維護(hù)的有用早期指示。
為了進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)的光,一次發(fā)出一個(gè),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(shí)候被FBG反射并返回到詢問器。
由于各個(gè)FBG的周期不同,因此可以區(qū)分不同傳感器的信號(hào)。其余的光到達(dá)光纖末端時(shí)會(huì)折射,以免干擾測(cè)量。可以從FBG返回的原始光信號(hào)中推斷出實(shí)際應(yīng)變以及材料應(yīng)力。
溫度補(bǔ)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(shí)會(huì)膨脹,而在溫度降低時(shí)會(huì)收縮。折射率也改變。沒有補(bǔ)償,這將導(dǎo)致應(yīng)變的測(cè)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(bǔ)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(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。
- 將兩個(gè)FBG置于推挽式配置中,以便在承受壓力時(shí)將其中一個(gè)壓縮,而將另一個(gè)拉伸。兩者的溫度效應(yīng)是相同的(例如延長(zhǎng)),但是機(jī)械應(yīng)力的影響卻不同:對(duì)于一個(gè)FBG,應(yīng)變?cè)跔恳率恰罢钡模鴮?duì)于另一個(gè)FBG,應(yīng)變是“負(fù)”的,因?yàn)樗粔嚎s了。因此,數(shù)學(xué)補(bǔ)償成為可能。
- 將光纖封裝在機(jī)械設(shè)備中,該機(jī)械設(shè)備在與被測(cè)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(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。
光纖傳感器的應(yīng)用
“作為光纖測(cè)溫項(xiàng)目的一部分,我們的傳感器需要在強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)下,應(yīng)對(duì)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(gè)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(xiàng)目(例如隧道或管道監(jiān)控)提供支持。
此外,光學(xué)測(cè)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(jì)不起作用的地方,光學(xué)應(yīng)變計(jì)可能會(huì)起作用。
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