光纖光柵傳感器的監(jiān)測(cè)應(yīng)用
光纖傳感器應(yīng)用
很多剛接觸光纖的人們都只是簡(jiǎn)單的認(rèn)為，光纖就是傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的的一條網(wǎng)線(xiàn)，比如現(xiàn)在很流行的5G的應(yīng)用，還有家庭上網(wǎng)用的100M網(wǎng)線(xiàn)等等，光纖在工業(yè)和其他領(lǐng)域上的應(yīng)用是作為一種傳感器。
光纖傳感器的發(fā)展
光纖傳感技術(shù)始于上個(gè)世紀(jì)七十年代，因?yàn)楣饫w的通信技術(shù)從而發(fā)展壯大，光纖傳感技術(shù)可以應(yīng)用于軍工項(xiàng)目、國(guó)防、電力電纜、煤礦井下、科研實(shí)驗(yàn)、溫度控制器、醫(yī)療核磁共振、化工危險(xiǎn)品、醫(yī)療核磁共振、變壓器溫度監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。在現(xiàn)在2019年，福州華光天銳已經(jīng)獲悉和部分投入研發(fā)生產(chǎn)的光纖傳感技術(shù)上百種，比如光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、流量、 位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射等不同的物體測(cè)試和監(jiān)控，都可以用華光天銳光纖傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)以上這些功能。
光纖傳感器原理舉例：光柵傳感器的基本原理：光柵的布拉格波長(zhǎng)是由某些參數(shù)來(lái)決定的。光纖光柵附近的一定范圍的溫度或其它物理量有不同的升高或者降低的時(shí)候，光柵的周期或纖芯折射率就會(huì)一起發(fā)生改變，然后使反射光的波長(zhǎng)發(fā)生變化。
長(zhǎng)周期光纖光柵（LPG）傳感器的原理
長(zhǎng)周期光纖光柵耦合從波導(dǎo)模光進(jìn)入它由于失去吸收和散射向前傳播的包層模式。從導(dǎo)模到包層模式的耦合是波長(zhǎng)相關(guān)的，因此我們可以獲得光譜選擇性損耗。它是一種光纖結(jié)構(gòu)，其特性沿著光纖周期性地變化，從而滿(mǎn)足幾種共同傳播模式相互作用的條件。這種結(jié)構(gòu)的周期大約為幾分之一毫米。與光纖布拉格光柵相反，LPFG將具有緊密傳播常數(shù)的共同傳播模式耦合在一起;?因此，這種光柵的周期可以大大超過(guò)在光纖中傳播的輻射的波長(zhǎng)。因?yàn)長(zhǎng)PFG的周期遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，所以L(fǎng)PFG制造起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。由于LPFG耦合共同傳播模式，它們的共振只能在透射光譜中觀(guān)察到。的透射光譜具有在對(duì)應(yīng)于與各種包層模式（在一個(gè)單模光纖）的共振波長(zhǎng)驟降。
取決于用于寫(xiě)入LPFG?的擾動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性，可以耦合不同對(duì)稱(chēng)的模式。例如，圓柱對(duì)稱(chēng)光柵耦合光纖的對(duì)稱(chēng)LP0m模式。微彎光柵，這是反對(duì)稱(chēng)相對(duì)于纖維軸，產(chǎn)生核模式和芯與包層的不對(duì)稱(chēng)LP1m模式之間的共振。
長(zhǎng)周期光柵具有廣泛的應(yīng)用，包括帶阻濾波器，增益平坦濾波器和傳感器。
已經(jīng)設(shè)計(jì)了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各種光柵：組合多個(gè)LPFG的光柵，具有上層結(jié)構(gòu)的LPFG，啁啾光柵和具有變跡的光柵。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種基于LPFG的設(shè)備：濾波器，傳感器，光纖色散補(bǔ)償器等。
實(shí)際上，每種類(lèi)型的公共基礎(chǔ)設(shè)施 – 包括橋梁，管道，隧道，基礎(chǔ)，道路，水壩等 – 都會(huì)受到可能使其降級(jí)或?qū)е鹿收系囊蛩氐挠绊憽＿@些結(jié)構(gòu)問(wèn)題可能是惡化，不正確的施工方法，地震活動(dòng)或附近建筑工程造成的。雖然電應(yīng)變儀長(zhǎng)期以來(lái)一直用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變化，但它們有時(shí)缺乏在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供準(zhǔn)確，可操作的信息所必需的耐久性和完整性。
嵌入式應(yīng)變傳感器安裝在混凝土澆筑之前的橋面板上。
基于光纖布拉格光柵（FBG）的光纖應(yīng)變儀的工作原理與控制傳統(tǒng)電應(yīng)變計(jì)的原理截然不同。簡(jiǎn)而言之，光纖布拉格光柵是通過(guò)用紫外激光修改標(biāo)準(zhǔn)單模電信光纖（鍺摻雜）而產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)（通常為幾毫米長(zhǎng)）。該微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生該光纖折射率的周期性變化。當(dāng)光沿著光纖傳播時(shí)，布拉格光柵反射的波長(zhǎng)范圍非常窄;?所有其他波長(zhǎng)都通過(guò)光柵傳輸。該反射波長(zhǎng)帶的中心稱(chēng)為布拉格波長(zhǎng)（圖1和2）。在應(yīng)力下，F(xiàn)BG的周期由于光纖的物理拉伸或壓縮而增加。
FBG光纖布拉格光柵的好處
除應(yīng)變外，F(xiàn)BG對(duì)溫度也很敏感。這允許使用FBG來(lái)監(jiān)控溫度，但這也意味著將溫度傳感器與應(yīng)變傳感器相結(jié)合是一種很好的做法，以便補(bǔ)償溫度對(duì)應(yīng)變傳感器的影響。除了應(yīng)變和溫度之外，基于FBG的傳感器還可用于傳感器，以監(jiān)控各種其他參數(shù)，如傾斜，加速度，壓力等。
光纖布拉格光柵（FBG）應(yīng)變傳感器的基本原理
基于FBG的光纖應(yīng)變儀與電應(yīng)變儀相比具有多種優(yōu)勢(shì)。例如，它們提供長(zhǎng)期信號(hào)穩(wěn)定性和系統(tǒng)耐久性。即使在高水平的振動(dòng)載荷下，例如在重度行駛的道路和橋梁上，它們也不太容易受到機(jī)械故障的影響。距離和電纜長(zhǎng)度幾乎不會(huì)影響測(cè)量精度。由于基于光纖的系統(tǒng)僅經(jīng)歷最小的信號(hào)衰減，因此數(shù)據(jù)的完整性仍然很高，即使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須位于距離最遠(yuǎn)的傳感器幾公里的位置。
光纖比銅導(dǎo)線(xiàn)更薄更輕，因此連接引線(xiàn)更輕。單個(gè)測(cè)量引線(xiàn)允許連接具有不同基波波長(zhǎng)的許多傳感器，從而降低所需的布線(xiàn)工作量。它們對(duì)電磁和射頻干擾（EMI / RFI）的抗擾性在諸如鐵路橋梁或電動(dòng)列車(chē)的隧道等結(jié)構(gòu)中是非常寶貴的，這些結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)。
FBG傳感器的使用允許監(jiān)控系統(tǒng)所需的布線(xiàn)量的大幅減少，這是由于該技術(shù)的固有的高復(fù)用能力，這確保了對(duì)被監(jiān)控結(jié)構(gòu)的最小影響。在這種情況下，“多路復(fù)用”是指將不同類(lèi)型的許多光學(xué)傳感器連接到單個(gè)光纖的能力，這降低了網(wǎng)絡(luò)和安裝的復(fù)雜性。帶有數(shù)十個(gè)傳感器的傳感器陣列可以預(yù)先組裝，以簡(jiǎn)化安裝 – 它們易于粘合到表面和材料上，點(diǎn)焊到結(jié)構(gòu)或部件上，并在澆注時(shí)附著或澆注到混凝土中。
它們的小尺寸和重量也使它們對(duì)于具有有限空間和嵌入應(yīng)用的位置（例如復(fù)合結(jié)構(gòu)）特別有吸引力。它們每個(gè)傳感器的成本相對(duì)較低，能夠?qū)⒍喾N傳感器類(lèi)型組合在一根電纜中，并且系統(tǒng)中不需要多個(gè)讀寫(xiě)器，這使它們成為中型/大型項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。
它們也非常適合在惡劣環(huán)境中使用。除了EMI / RFI抗擾度外，它們還具有很高的耐水性和耐濕性，耐鹽性，極端溫度和高壓（高達(dá)400 bar）。它們也可安全用于潛在爆炸性環(huán)境和高壓區(qū)域。
與金屬箔應(yīng)變儀不同，F(xiàn)BG傳感器獨(dú)立于詢(xún)問(wèn)器/采集系統(tǒng)而被引用。相反，它們基于絕對(duì)參數(shù)的測(cè)量 – 布拉格波長(zhǎng) – 與功率波動(dòng)無(wú)關(guān)，僅在應(yīng)變（或溫度變化）時(shí)發(fā)生變化。測(cè)量傳感器產(chǎn)生的值的光學(xué)詢(xún)問(wèn)器本身也具有內(nèi)置參考，其像“標(biāo)尺”一樣用于精確地確定接收的波長(zhǎng)值。該內(nèi)部參考允許在執(zhí)行每次測(cè)量時(shí)校準(zhǔn)詢(xún)問(wèn)器。
光纖傳感器系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)施工程師提供的疲勞極限更符合現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料的疲勞行為。例如，輕質(zhì)碳纖維板比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料具有更高的疲勞和應(yīng)變極限。即使是常用的材料，如鋼，混凝土和木材，也越來(lái)越多地被改進(jìn)以?xún)?yōu)化其疲勞行為，因此他們也要求設(shè)計(jì)具有更高疲勞極限的監(jiān)控系統(tǒng)。
基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)
在基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)中使用光纖傳感的最新例子。設(shè)計(jì)了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控巴西圣保羅地鐵線(xiàn)路的隧道變形和融合，而附近正在建造一座摩天大樓。在挖掘過(guò)程中需要隧道監(jiān)控系統(tǒng)，并為摩天大樓建造支撐墻，以確保地鐵線(xiàn)路的運(yùn)行不會(huì)中斷，并且地鐵乘客的安全性不會(huì)受到影響。
本項(xiàng)目采用的確定隧道收斂的引伸方法使用基于FBG的傳感器測(cè)量沿隧道輪廓不同點(diǎn)的應(yīng)變，并將其轉(zhuǎn)換為隧道支撐的位移。它還允許量化支持的收斂及其隨時(shí)間的幾何演變。
監(jiān)測(cè)隧道的兩個(gè)部分，每個(gè)部分有七個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)有一個(gè)應(yīng)變和一個(gè)溫度傳感器。使用帶有四個(gè)光學(xué)通道的機(jī)架式來(lái)查詢(xún)所有傳感器，每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，然后處理并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。附近安裝了一個(gè)19英寸的機(jī)架，用于保護(hù)測(cè)量單元，服務(wù)器PC，UPS和互聯(lián)網(wǎng)連接。計(jì)算測(cè)量的波長(zhǎng)，以便對(duì)布拉格波長(zhǎng)的熱效應(yīng)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，并估算收斂性。方法算法。
同樣，應(yīng)變和溫度測(cè)量系統(tǒng)正用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)阿爾及利亞康斯坦丁河上1.1公里的斜拉橋。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術(shù)傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備并行安裝，并作為完整的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SHM）集成。傳感器預(yù)先安裝在應(yīng)變和溫度傳感器陣列中，以澆鑄在混凝土內(nèi)。陣列的每一端都有一個(gè)光學(xué)連接器。每根帶有四根光纖的長(zhǎng)光學(xué)分支電纜和每端的連接器用于連接多個(gè)陣列位置。
這種預(yù)裝配和準(zhǔn)備工作提高了安裝效率，不僅因?yàn)殡娎|更少，而且因?yàn)檫B接器的使用確保了安裝不需要使用特殊的人力或設(shè)備。一個(gè)四通道BraggMETER讀寫(xiě)器從22個(gè)應(yīng)變傳感器和18個(gè)溫度傳感器收集同步數(shù)據(jù)，共計(jì)40個(gè)基于FGB的傳感器。詢(xún)問(wèn)器與其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一起安裝，并使用其可用的LAN接口同時(shí)進(jìn)行控制。
盡管工程師在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中使用電應(yīng)變計(jì)可能有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，但這些應(yīng)用證明了光纖傳感器如何提供各種經(jīng)濟(jì)和性能優(yōu)勢(shì)。