光纤光栅传感器的监测应用

光纤传感器应用

很多刚接触光纤的人们都只是简单的认为,光纤就是传输数据信号的的一条网线,比如现在很流行的5G的应用,还有家庭上网用的100M网线等等,光纤在工业和其他领域上的应用是作为一种传感器。

光纤传感器的发展

光纤传感技术始于上个世纪七十年代,因为光纤的通信技术从而发展壮大,光纤传感技术可以应用于军工项目、国防、电力电缆、煤矿井下、科研实验、温度控制器、医疗核磁共振、化工危险品、医疗核磁共振、变压器温度监测等领域。在现在2019年,福州华光天锐已经获悉和部分投入研发生产的光纤传感技术上百种,比如光纤温度传感器、光纤压力传感器、流量、 位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等不同的物体测试和监控,都可以用华光天锐光纤传感器来实现以上这些功能。

光纤传感器原理举例:光栅传感器的基本原理:光栅的布拉格波长是由某些参数来决定的。光纤光栅附近的一定范围的温度或其它物理量有不同的升高或者降低的时候,光栅的周期或纤芯折射率就会一起发生改变,然后使反射光的波长发生变化。

光纤传感器

长周期光纤光栅(LPG)传感器的原理

长周期光纤光栅耦合从波导模光进入它由于失去吸收和散射向前传播的包层模式。从导模到包层模式的耦合是波长相关的,因此我们可以获得光谱选择性损耗。它是一种光纤结构,其特性沿着光纤周期性地变化,从而满足几种共同传播模式相互作用的条件。这种结构的周期大约为几分之一毫米。与光纤布拉格光栅相反,LPFG将具有紧密传播常数的共同传播模式耦合在一起; 因此,这种光栅的周期可以大大超过在光纤中传播的辐射的波长。因为LPFG的周期远大于波长,所以LPFG制造起来相对简单。由于LPFG耦合共同传播模式,它们的共振只能在透射光谱中观察到。的透射光谱具有在对应于与各种包层模式(在一个单模光纤)的共振波长骤降。

取决于用于写入LPFG 的扰动的对称性,可以耦合不同对称的模式。例如,圆柱对称光栅耦合光纤的对称LP0m模式。微弯光栅,这是反对称相对于纤维轴,产生核模式和芯与包层的不对称LP1m模式之间的共振。

长周期光栅具有广泛的应用,包括带阻滤波器,增益平坦滤波器和传感器。

已经设计了具有复杂结构的各种光栅:组合多个LPFG的光栅,具有上层结构的LPFG,啁啾光栅和具有变迹的光栅。已经开发了各种基于LPFG的设备:滤波器,传感器,光纤色散补偿器等。

实际上,每种类型的公共基础设施 – 包括桥梁,管道,隧道,基础,道路,水坝等 – 都会受到可能使其降级或导致故障的因素的影响。这些结构问题可能是恶化,不正确的施工方法,地震活动或附近建筑工程造成的。虽然电应变仪长期以来一直用于监测结构变化,但它们有时缺乏在长时间内提供准确,可操作的信息所必需的耐久性和完整性。

光纤传感器应用桥梁
嵌入式应变传感器安装在混凝土浇筑之前的桥面板上。

基于光纤布拉格光栅(FBG)的光纤应变仪的工作原理与控制传统电应变计的原理截然不同。简而言之,光纤布拉格光栅是通过用紫外激光修改标准单模电信光纤(锗掺杂)而产生的微结构(通常为几毫米长)。该微结构产生该光纤折射率的周期性变化。当光沿着光纤传播时,布拉格光栅反射的波长范围非常窄; 所有其他波长都通过光栅传输。该反射波长带的中心称为布拉格波长(图1和2)。在应力下,FBG的周期由于光纤的物理拉伸或压缩而增加。

FBG光纤布拉格光栅的好处

除应变外,FBG对温度也很敏感。这允许使用FBG来监控温度,但这也意味着将温度传感器与应变传感器相结合是一种很好的做法,以便补偿温度对应变传感器的影响。除了应变和温度之外,基于FBG的传感器还可用于传感器,以监控各种其他参数,如倾斜,加速度,压力等。

光纤光栅原理

光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器的基本原理

基于FBG的光纤应变仪与电应变仪相比具有多种优势。例如,它们提供长期信号稳定性和系统耐久性。即使在高水平的振动载荷下,例如在重度行驶的道路和桥梁上,它们也不太容易受到机械故障的影响。距离和电缆长度几乎不会影响测量精度。由于基于光纤的系统仅经历最小的信号衰减,因此数据的完整性仍然很高,即使数据采集系统必须位于距离最远的传感器几公里的位置。

光纤比铜导线更薄更轻,因此连接引线更轻。单个测量引线允许连接具有不同基波波长的许多传感器,从而降低所需的布线工作量。它们对电磁和射频干扰(EMI / RFI)的抗扰性在诸如铁路桥梁或电动列车的隧道等结构中是非常宝贵的,这些结构会产生强烈的电磁场。

FBG传感器的使用允许监控系统所需的布线量的大幅减少,这是由于该技术的固有的高复用能力,这确保了对被监控结构的最小影响。在这种情况下,“多路复用”是指将不同类型的许多光学传感器连接到单个光纤的能力,这降低了网络和安装的复杂性。带有数十个传感器的传感器阵列可以预先组装,以简化安装 – 它们易于粘合到表面和材料上,点焊到结构或部件上,并在浇注时附着或浇注到混凝土中。

它们的小尺寸和重量也使它们对于具有有限空间和嵌入应用的位置(例如复合结构)特别有吸引力。它们每个传感器的成本相对较低,能够将多种传感器类型组合在一根电缆中,并且系统中不需要多个读写器,这使它们成为中型/大型项目的经济高效的解决方案。

它们也非常适合在恶劣环境中使用。除了EMI / RFI抗扰度外,它们还具有很高的耐水性和耐湿性,耐盐性,极端温度和高压(高达400 bar)。它们也可安全用于潜在爆炸性环境和高压区域。

与金属箔应变仪不同,FBG传感器独立于询问器/采集系统而被引用。相反,它们基于绝对参数的测量 – 布拉格波长 – 与功率波动无关,仅在应变(或温度变化)时发生变化。测量传感器产生的值的光学询问器本身也具有内置参考,其像“标尺”一样用于精确地确定接收的波长值。该内部参考允许在执行每次测量时校准询问器。

光纤传感器系统为基础设施工程师提供的疲劳极限更符合现代结构材料的疲劳行为。例如,轻质碳纤维板比传统结构材料具有更高的疲劳和应变极限。即使是常用的材料,如钢,混凝土和木材,也越来越多地被改进以优化其疲劳行为,因此他们也要求设计具有更高疲劳极限的监控系统。

基础设施监测

在基础设施监测中使用光纤传感的最新例子。设计了一个传感器网络,用于实时监控巴西圣保罗地铁线路的隧道变形和融合,而附近正在建造一座摩天大楼。在挖掘过程中需要隧道监控系统,并为摩天大楼建造支撑墙,以确保地铁线路的运行不会中断,并且地铁乘客的安全性不会受到影响。

本项目采用的确定隧道收敛的引伸方法使用基于FBG的传感器测量沿隧道轮廓不同点的应变,并将其转换为隧道支撑的位移。它还允许量化支持的收敛及其随时间的几何演变。

隧道监测

监测隧道的两个部分,每个部分有七个测量点,每个测量点有一个应变和一个温度传感器。使用带有四个光学通道的机架式来查询所有传感器,每分钟采集一次数据,然后处理并保存到数据库中。附近安装了一个19英寸的机架,用于保护测量单元,服务器PC,UPS和互联网连接。计算测量的波长,以便对布拉格波长的热效应进行应变测量,并估算收敛性。方法算法。

同样,应变和温度测量系统正用于长期监测阿尔及利亚康斯坦丁河上1.1公里的斜拉桥。该系统与传统技术传感器和数据采集设备并行安装,并作为完整的结构监测系统(SHM)集成。传感器预先安装在应变和温度传感器阵列中,以浇铸在混凝土内。阵列的每一端都有一个光学连接器。每根带有四根光纤的长光学分支电缆和每端的连接器用于连接多个阵列位置。

这种预装配和准备工作提高了安装效率,不仅因为电缆更少,而且因为连接器的使用确保了安装不需要使用特殊的人力或设备。一个四通道BraggMETER读写器从22个应变传感器和18个温度传感器收集同步数据,共计40个基于FGB的传感器。询问器与其他数据采集系统一起安装,并使用其可用的LAN接口同时进行控制。

尽管工程师在结构监测中使用电应变计可能有数十年的经验,但这些应用证明了光纤传感器如何提供各种经济和性能优势。