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光纖應變片 (也稱為布拉格光柵傳感器),用于測量應變,但可以集成不同類型的傳感器到一根光纖中,例如溫度,加速度或移位等。與傳統的電阻應變片相比,光學應變片不需要供電,該技術基于通過光纖傳播的光。
因此,傳感器是完全被動和免疫的,例如電磁干擾。這也是在某些應用中光學應變片優于電阻應變片的原因。
結構
光學應變片由二氧化硅芯和包層組成。
在本文中,我們將重點介紹光纖應變傳感器,其中光纖本身是傳感器。其他類型的光纖傳感器使用光纖本身傳輸光,而不是用它來測量。
它像普通的電信光纖一樣長,可以長達幾公里,有許多測量點。纖維本身由兩層組成:纖芯和密度較低的包層。塑料涂層纏繞在二氧化硅纖維上以進行保護。
工作原理
光纖作為傳感器
為了制造實際的應變傳感器,光纖在生產過程中用所謂的光纖布拉格光柵(FBG)進行內接。這基本上是材料干擾的一種模式,反射出與光纖的其余部分不同的光線。為了更好地理解,您可以將光纖視為圓柱形透明材料,其中有許多薄片。當來自激光的光線照射該薄片時,某些波長被反射,而其它波長則通過。
材料干擾 - “切片” 以一定的間隔放置。當光纖被拉伸或壓縮時,因此受到正或負應變 - 這些間隔發生變化。當光纖被拉伸時,它變長,空間變大,反之亦然。
當光纖布拉格光柵處于應變狀態時,反射光回傳需要更長或更短的時間來回傳,反射的波長也會發生變化。光纖布拉格光柵具有一定的折射率。材料的折射率描述了通過材料時彎曲或折射多少光。當光柵由于應變而改變形狀時,其折射率也將產生改變。
整個光纖布拉格光柵總體約為5毫米,盡管用肉眼看不到單獨的材料干擾。在顯微鏡下,許多光纖布拉格光柵可以刻錄在一根長的光纖中,每個光柵作為單個應變傳感器工作。
當光纖被施加到材料時,它將與材料一起產生變形。測量的應變用于允許分析材料中的機械應力。
為了給出實際的例子,當將光纖施加到隧道壁上時,當隧道壁材料中存在應力時,其將使光纖產生應變,這可能是由于列車沖擊的振動或是多年來產生的墻壁沉降或裂縫,從相關的應變的信息確定是否需要進行維護。
光纖解調儀
對于測量,光纖需要連接到所謂的光纖解調器; 它能夠連續發出不同波長的光,一次一個, 這被稱為“掃描激光”。 光傳播通過光纖,在某點由布拉格光柵反射,并返回解調器。
由于布拉格光柵具有不同周期,因此可以區分不同傳感器的信號。 其余光線到達光纖末端時會折射,因此不影響測量。 從光柵返回的原始光信號可以推導出實際應變,獲得材料應力。
.那么,為什么核心和包層之間的密度差是非常重要的呢? 激光用于通過光纖發光, 兩種不同的纖維材料密度產生通道光纖內部的光,從而不散射光柵。 為了能進行工作,重要的是光纖沒有太多彎曲。
溫度補償是關鍵
布拉格光柵傳感器極易受溫度影響。隨著溫度的升高,光纖隨著溫度的升高而膨脹。折射率也發生變化。沒有補償,這將導致獲得的應力包括溫度產生的應變。有以下幾種補償技術,包括:
應變傳感器邊上安裝溫度傳感器,從測量數據中減去溫度效應來進行數學補償。
將兩個光纖布拉格光柵放置在推挽式結構中,使得當處于應變狀態時,一個被壓縮,另一個被拉伸。溫度效應對于兩者都是相同的(例如延長),但是機械應力的影響是不同的:這樣就可以對溫度進行數學補償。
將光纖包封在機械設備中,該材料在被測材料的相反方向上膨脹,以消除溫度效應,并且不需要數學補償。
光纖傳感器應用
“作為 法國 ITER 項目 的一部分, 我們的傳感器需要適應劇烈的溫度變化,從大約 -270°C 到 300°C,并且處在強烈的電磁場中。在這種應用中,電阻應變片幾乎無法正常工作。“ Cristina Barbosa 解釋道。
橋梁,風力發電機和隧道等結構健康監測應用中,由于單個光纖可以容納數百個傳感器,尤其是隧道或管道監測等大型項目中,其與傳統的應變片相比,布線和安裝成本更低。
此外,由于光纖技術天生的抗電磁干擾性,光學測量技術可以用于存在大量電磁干擾或可能爆炸的環境(如煉油廠)中。
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