光纤布拉格光栅的点式光纤传感器

光学应变传感器(或应变仪)是用于压缩和/或拉伸机械应变(变形)的传感器,这些传感器基于光学技术-在大多数情况下基于光纤。它们可以基于不同的操作原理,如下所述。

注意,机械应变是由机械力引起的。因此,应变传感还可以提供有关机械力或压力的信息。

存在替代技术,例如机械和电子应变传感器。但是,光学应变传感器可以提供重要的优势。例如,它们可以在很宽的温度范围内运行,对电磁干扰不敏感,并且它们不需要电缆(这对于某些需要使用绝缘材料的高压应用很重要)。它们也适用于高带宽的动态测量。参见下面有关光学应变传感器应用的段落。

光学应变传感器的工作原理

基于光纤布拉格光栅的点式光纤传感器

许多用于测量应变的光纤传感器都是基于光纤布拉格光栅(FBG)。该操作原理主要基于以下事实:施加到这种光栅上的应变会影响光栅周期,从而影响布拉格波长,即峰值反射率的波长。所引起的应变的变化的布拉格波长的变化ε和温度变化Δ Ť是[2]:

布拉格波长的变化

除了应变的纯粹几何效应(传感器的伸长,增加光栅周期)外,还有一种折射率变化引起的效应,它取决于应力光张量的普克尔斯系数和泊松比ν。本质上,应变减小了折射率,并且在某种程度上减小了增加的光栅周期的影响。对于二氧化硅纤维,减少量约等于22%。

使用光电查询器,该光电查询器将光发送到光栅传感器并分析反射光以确定应变量。例如,外腔二极管激光器适合作为光源。

为了测量机械构件的应变,例如在建筑物中,需要将基于FBG的传感器连接到该构件,以使其受到相同的应变。一些表面应变传感器粘在平坦或有些弯曲的表面上。在其他情况下,可以使用其他连接传感器的方法,例如点焊,拧紧或通过将传感器的零件嵌入混凝土结构中。

一个挑战是这种光栅的布拉格波长也对温度变化敏感。对于二氧化硅纤维,温度变化1 K大致对应于应变变化10με。有多种温度补偿方法:

  • 一个人可以使用第二个光栅,该光栅暴露在相同的温度下,但没有受到机械应变。
  • 在某些情况下,可以采用推挽配置的另一种技术,其中一个光栅在另一光栅被拉伸时被压缩。然后,两个布拉格波长之间的差异会对应变产生反应,而对温度没有反应。
  • 可以使用附加的温度传感器测量温度,并使用已知的光栅温度系数校正应变测量值。
  • 一个人可能使用两种非常不同的询问波长(例如在0.8-μm和1.5-μm区域),从而导致应变和温度响应的比率不同。

另一方面,通过光波长的应变编码使得这种传感器对其他参数不敏感,例如沿着光纤的光功率损失或询问器的输出功率。

对于某些应用,应变和温度都是测量值。

基于FBG的应变传感器的分辨率可以优于1με(即,相对长度变化小于10 -6),并且精度可能不会低很多。例如,可以测量由1 K或更小的温度变化引起的热膨胀。同时,允许的测量范围可以是±20.000με=±2%。动态范围因此可以大于40 dB。

对于具有高带宽的动态应变传感(例如,用于研究声学现象),可以使用更快的检测方案,例如,使用不平衡的马赫曾德尔光纤干涉仪,它将波长变化转换为光功率的变化。在1 Hz的带宽内,灵敏度可大大优于1nε。

准分布式传感器

基于FBG的传感器技术的一个非常吸引人的特征是,可以在一根长光纤中制造带有许多这样的光栅的准分布式传感器,并使用单个询问器,该询问器可以通过某种复用来处理所有不同的光栅。来自不同光栅的信号可以通过不同的方式进行区分:

  • 询问器可以发出光脉冲(例如,具有纳秒或皮秒的持续时间)并监视信号的到达时间(时分多路复用,TDM),由于光栅之间的光纤传播时间延迟,信号的到达时间不同。
  • 替代地,不同的光栅可以具有不同的布拉格波长,从而可以通过将询问激光器调谐到其波长来对每个光栅进行寻址(波分复用,WDM)。除了激光器以外,还可以将宽带光源(例如,超发光二极管)与某种光谱仪结合使用,例如与可调Fabry-Pérot滤波器或基于衍射光栅和CCD传感器阵列的设备结合使用。

还可以结合两种技术来实现包含更多点传感器(可能超过100个)的WDM / TDM系统。

与使用许多独立传感器相比,这种多点传感器的成本可以低得多,因为简化了传感器和电缆的安装,并且可以使用单个询问器。

干涉式光纤布拉格光栅传感器

在某些情况下,人们使用一对构成法布里-珀罗干涉仪的布拉格光栅,其中一个通过谐振频率的偏移来测量光栅之间的光纤应变。当使用具有不同布拉格波长的光栅时,可以在一根光纤中再次使用该类型的多个传感器。或者,可以测量一根长纤维的平均应变。

基于微法布里-珀罗兹的传感器

可以构造小型Fabry-Pérot干涉仪,其中小的反射镜距离(例如50μm)受待测应变的影响。因此,峰值透射波长将指示施加的应变。代替传输,可以监视共振中反射率的下降。探测光结束后,反射光可以通过单模光纤传输,以提供最大的便利。由于光纤仅用于传输光,而不用于实际的传感器,因此该技术称为非本征光纤传感器,这与光纤本身充当传感器的固有传感器相反。

Micro-Fabry–Pérot可以通过不同的方式生产,例如,通过在两个光纤末端之间保持一定的机械部件(例如微管)之间的气隙,或使用两个具有反射性的熔接头,例如在绝缘膜上涂覆电介质涂层。光纤末端。

可以使Micro-Fabry–Pérot传感器在比基于FBG的传感器(可能会发生光栅退火)的更高温度下工作。它们还可以提供非常高的应变分辨率。另一方面,在单个光纤中不容易使用该类型的多个传感器。

基于瑞利散射的分布式应变传感器

分布式光纤应变传感器可以用普通的单模光纤实现,不包含任何特殊结构,例如光纤布拉格光栅。在许多情况下,人们使用在1.5微米光谱范围内运行的电信光纤。

一种可能性是利用光纤中的瑞利散射。这是线性散射,这是由于光纤中的微观变化所致,主要是折射率的波动。与采用非线性散射的其他技术(请参阅下文)相比,该技术可获得更强的信号,并且可以获得较高的空间分辨率(例如几毫米)。

可以使用干涉技术来分析背向散射光。本质上,一个是将来自光纤的反射光与其他来自发出光的光叠加在一起。如果仅在光纤中的特定位置发生反射,则干涉仪的输出将大约随光频率周期性变化探照灯 振荡的速度取决于反射的位置。通过应用傅立叶变换,可以将干涉仪信号分解为来自不同位置的反射的贡献。这也可以通过基于随机分布位置处的瑞利散射的反射来完成。当被测光纤拉紧时,获得的信号模式会移动,可以使用合适的软件进行检测。

该技术特别适合于以高空间分辨率但仅在有限的长度(例如几十米)上监视应变。

基于布里渊散射的分布式应变传感器

对于较长纤维的应变传感,通常使用基于自发或受激布里渊散射的技术。例如,皮秒光脉冲从一个方向发送到光纤中,并且通过光学外差检测分析了由于自发布里渊散射引起的相当弱的反射分量。布里渊频移取决于应变和温度,而空间分辨率可以通过时间延迟获得。

可以使用基于受激布里渊散射的技术(称为布里渊光学时延分析)来实现更高的灵敏度。(BOTDA)。在此,使用了一个附加的弱连续波探测光束,该探测光束在与皮秒脉冲相反的方向上传播。选择其光频率略低于脉冲频率。然后,在脉冲和探测光束之间的光频差与局部布里渊位移(取决于应变和温度)一致的位置处放大探测光束。(或者,当探测光束的频率高于脉冲频率时,可以获得非线性损失。)以可变的光学频率差进行这种测量,并且通过组合这些数据,可以有效地获得布里渊图。频率与位置

这种技术的空间分辨率不如使用瑞利散射时高。另一方面,可以将它们与更长的纤维结合使用-长度通常超过10公里。因此,它们特别适用于例如管道监控之类的应用。

再次需要用于分离应变和温度影响的技术。如上文在光纤光栅传感器的背景下讨论的,可以应用类似的思想。例如,一根纤维可以使用两根暴露在相同温度下的纤维,而一根纤维也可以感知应变,而另一根纤维则保持松弛。

光学应变传感器的应用

光学应变传感器的典型应用是监视技术基础设施,例如桥梁,隧道,矿山,建筑物,石油和天然气管道,输电线路,工业加工厂,飞机和风能转换器的叶片。结构健康监测可以提高安全性,并使传统的监测方法过时,从而节省了成本。用长光纤进行分布式传感的能力通常也很重要。有时,人们从同时测量温度中获利。

应变传感器在技术开发过程中也非常有用,例如在疲劳测试中,在受控条件下零件要承受高水平的应变。此类测试对于保证正常运行条件下的可靠性至关重要。