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光纤布拉格光栅应变测量技术

输电铁塔等重大电力设施的安全监测技术备受重视,在台风、覆冰等恶劣环境下关键部位的形变状态是科研人员们一直关心的问题。传统的电测技术因易受输电环境中的电磁干扰、自然界雷击等实际问题而应用局限明显。以光为信号、不受电磁干扰影响的光纤传感为电力环境下的传感、检测、监测提供了极佳的技术支撑,分布式光纤、光纤光栅等技术在电力设施安全监测中逐渐得到应用。在所有的监测参量中,应变最为基础,也最为重要,它是弯曲、扭转、位移等多种变形最为基础的反映,因此基于光纤原理的、有效的应变传感检测技术一直是科研人员关注的重点。光纤布拉格光栅作为光纤传感的一种,其采用波长编码,波长信号不受光源功率波动影响,且不同波长的光栅可复用在一根光纤上,对轴向应变非常敏感,在重大电力设施的应变测量中发挥重要作用。

目前,基于光纤布拉格光栅的应变测量技术主要包括两种:其一,直接将裸光栅采用胶黏剂粘贴或嵌入至被测对象表面或内部。这种方法表面上操作步骤简单方便,但在工程实际中,由于裸光栅十分脆弱,在野外等现场粘贴时,不易精确控制光栅布置的直线度和方向,且裸栅易折断。因此该方法更适用于实验室开展科研测试,工程现场适应性较差。其二,将光纤光栅封装在专门设计的弹性体或基片内,光栅得到保护,往被测物体上安装时的操作性更好。该方法在封装光栅时,光栅的固定主要有两种方式——栅区全部粘贴固定和预拉伸后栅区两侧的光纤固定,封装基体主要有三种——管式结构体 、表面弹性结构体、和基片式。光纤光栅封装至管式的应变标距体内,一般用于埋入被测物体内,测量混凝土应变、桥梁变形等。表面应变测试时,光纤光栅往往被封装至特殊设计的表面安装式弹性结构体内,柔性铰链结构常被采用,可以实现光纤光栅的应变灵敏度灵活设计。

在上述两种结构体内,光纤光栅普遍采用的是预拉伸后栅区两侧光纤固定的封装方式,虽然可以保障光栅不易啁啾,但由于预拉伸量有限,被测对象的负向应变测量范围易受到限制,此外,在安装时往往需要在被测物体上打孔等,易破坏本体的结构强度。另外一种是将光纤光栅通过栅区全部粘贴固定的方式封装在基片内,光纤光栅可随着被测物体整体拉伸或压缩,应变测量量程更大,可直接粘贴在被测物体上,不改变被测本体的结构。

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