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光纤应变传感器的原理和特点

固有光纤应变传感器,其中光纤本身就是传感器。其他类型的光纤传感器使用光纤本身来传输光,而不是进行测量。

光纤通常由玻璃纤维或石英纤维和塑料涂层组成。它很像普通的电信光纤,最长可达几公里,沿其长度有许多测量点。光纤本身由两层组成:纤芯和较低密度的包层。将塑料涂层包裹在石英纤维周围以进行保护。

那么,纤芯和包层之间的密度差异为何如此重要?激光用于使光通过光纤。两种不同的纤维材料密度会形成一个屏障,将光引导到纤维内部,从而不会散射。为使此工作有效,光纤不能弯曲的太严重。它很灵活,不会破裂,但是光线可能会在弯道处逸出。

光纤作为传感器

为了创建实际的应变传感器,在生产过程中用所谓的光纤布拉格光栅(FBG)内接光纤。这基本上是材料干涉的一种模式,它与光纤其余部分的反射方式不同。为了更好地理解,您可以将光纤可视化为圆柱状的透明材料,其中包含许多薄片。当激光发出的光照射到该图案时,某些波长会被反射,而其他波长则会通过。

重大干扰(“切片”)以一定间隔放置。当光纤被拉伸或压缩时(因此受到正应变或负应变),这些间隔会改变。拉伸光纤时,光纤会伸长,空间会变大,反之亦然。

当FBG处于应变状态时,反射的光不仅需要更长或更短的时间才能传播回来,而且反射的波长也会发生变化。用科学术语来说,FBG具有一定的折射率。材料的折射率描述了穿过材料时多少光被弯曲或折射。当光栅由于应变而改变形状时,其折射率也改变。

一个光纤布拉格光栅的整体长度约为5毫米,尽管肉眼无法看到单独的材料干涉,只有在显微镜下才能看到。”?许多光纤布拉格光栅可以刻在一根长光纤中,每根光纤光栅都可以作为单独的应变传感器使用。

当将光纤施加到一种材料上时,它将与这种材料一起被拉紧。所测量的应变继而将允许分析材料中的机械应力,这是大多数应变测量的目的。

举一个实际的例子,当将纤维施加到长隧道的壁上时,当壁的材料中存在应力时,纤维会拉紧。例如,这可能是由于火车驶过而引起的振动。多年来,当墙面沉降或什至出现薄弱点或裂缝时,从有关应变的信息以及传感器所获得的机械应力的信息中就可以看出这一点,这是需要维护的有用早期指示。

为了进行测量,需要将光纤连接到所谓的询问器。它连续发出不同波长的光,一次发出一个,从而涵盖了广谱。这称为“扫频激光器”。光传播通过光纤,在某些时候被FBG反射并返回到询问器。

由于各个FBG的周期不同,因此可以区分不同传感器的信号。其余的光到达光纤末端时会折射,以免干扰测量。可以从FBG返回的原始光信号中推断出实际应变以及材料应力。

温度补偿至关重要

基于光纤布拉格光栅的光纤传感器极易受温度影响。显然,纤维与其他任何材料一样,在温度升高时会膨胀,而在温度降低时会收缩。折射率也改变。没有补偿,这将导致应变的测量不是由材料应力引起的,而是由温度变化引起的。有几种补偿技术,包括:

  • 在光纤应变传感器旁边安装光纤温度传感器;通过比较数据并减去温度影响,可以进行数学补偿。
  • 将两个FBG置于推挽式配置中,以便在承受压力时将其中一个压缩,而将另一个拉伸。两者的温度效应是相同的(例如延长),但是机械应力的影响却不同:对于一个FBG,应变在牵引下是“正”的,而对于另一个FBG,应变是“负”的,因为它被压缩了。因此,数学补偿成为可能。
  • 将光纤封装在机械设备中,该机械设备在与被测材料相反的方向上膨胀,从而使施加到FBG的应力消除了温度影响,并且不需要进行数学补偿。

光纤传感器的应用
“作为光纤测温项目的一部分,大家的传感器需要在强烈的电磁场下,应对大约-40°C至300°C的巨大温度范围的光学应变传感器应用之一。

例如,在结构健康或基础结构监视中,可以发现较少使用的应用程序。由于单根光纤可以容纳数百个传感器,因此与传统的应变仪相比,光缆技术和安装成本更低,因此光学技术可为大型项目(例如隧道或管道监控)提供支撑。

此外,光学测量技术是所有需要解决传统应变仪所需电力问题的应用的首选,包括具有大量电磁干扰(如太空)或极易爆炸的环境(如炼油厂)的环境,在电应变计不起作用的地方,光学应变计可能会起作用。

光纤联系

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