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光纖應(yīng)變片 (也稱為布拉格光柵傳感器)，用于測(cè)量應(yīng)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(tǒng)的電阻應(yīng)變片相比，光學(xué)應(yīng)變片不需要供電，該技術(shù)基于通過(guò)光纖傳播的光。
因此，傳感器是完全被動(dòng)和免疫的，例如電磁干擾。這也是在某些應(yīng)用中光學(xué)應(yīng)變片優(yōu)于電阻應(yīng)變片的原因。
結(jié)構(gòu)
光學(xué)應(yīng)變片由二氧化硅芯和包層組成。
在本文中，我們將重點(diǎn)介紹光纖應(yīng)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(lái)測(cè)量。
它像普通的電信光纖一樣長(zhǎng)，可以長(zhǎng)達(dá)幾公里，有許多測(cè)量點(diǎn)。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(jìn)行保護(hù)。
工作原理
光纖作為傳感器
為了制造實(shí)際的應(yīng)變傳感器，光纖在生產(chǎn)過(guò)程中用所謂的光纖布拉格光柵(FBG)進(jìn)行內(nèi)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(dāng)來(lái)自激光的光線照射該薄片時(shí)，某些波長(zhǎng)被反射，而其它波長(zhǎng)則通過(guò)。
材料干擾 - “切片” 以一定的間隔放置。當(dāng)光纖被拉伸或壓縮時(shí)，因此受到正或負(fù)應(yīng)變 - 這些間隔發(fā)生變化。當(dāng)光纖被拉伸時(shí)，它變長(zhǎng)，空間變大，反之亦然。
當(dāng)光纖布拉格光柵處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，反射光回傳需要更長(zhǎng)或更短的時(shí)間來(lái)回傳，反射的波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)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(guò)材料時(shí)彎曲或折射多少光。當(dāng)光柵由于應(yīng)變而改變形狀時(shí)，其折射率也將產(chǎn)生改變。
整個(gè)光纖布拉格光柵總體約為5毫米，盡管用肉眼看不到單獨(dú)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(zhǎng)的光纖中，每個(gè)光柵作為單個(gè)應(yīng)變傳感器工作。
當(dāng)光纖被施加到材料時(shí)，它將與材料一起產(chǎn)生變形。測(cè)量的應(yīng)變用于允許分析材料中的機(jī)械應(yīng)力。
為了給出實(shí)際的例子，當(dāng)將光纖施加到隧道壁上時(shí)，當(dāng)隧道壁材料中存在應(yīng)力時(shí)，其將使光纖產(chǎn)生應(yīng)變，這可能是由于列車沖擊的振動(dòng)或是多年來(lái)產(chǎn)生的墻壁沉降或裂縫，從相關(guān)的應(yīng)變的信息確定是否需要進(jìn)行維護(hù)。
光纖解調(diào)儀
對(duì)于測(cè)量，光纖需要連接到所謂的光纖解調(diào)器; 它能夠連續(xù)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光，一次一個(gè)， 這被稱為“掃描激光”。 光傳播通過(guò)光纖，在某點(diǎn)由布拉格光柵反射，并返回解調(diào)器。
由于布拉格光柵具有不同周期，因此可以區(qū)分不同傳感器的信號(hào)。 其余光線到達(dá)光纖末端時(shí)會(huì)折射，因此不影響測(cè)量。 從光柵返回的原始光信號(hào)可以推導(dǎo)出實(shí)際應(yīng)變，獲得材料應(yīng)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(guò)光纖發(fā)光， 兩種不同的纖維材料密度產(chǎn)生通道光纖內(nèi)部的光，從而不散射光柵。 為了能進(jìn)行工作，重要的是光纖沒(méi)有太多彎曲。
溫度補(bǔ)償是關(guān)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(fā)生變化。沒(méi)有補(bǔ)償，這將導(dǎo)致獲得的應(yīng)力包括溫度產(chǎn)生的應(yīng)變。有以下幾種補(bǔ)償技術(shù)，包括：
應(yīng)變傳感器邊上安裝溫度傳感器，從測(cè)量數(shù)據(jù)中減去溫度效應(yīng)來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。
將兩個(gè)光纖布拉格光柵放置在推挽式結(jié)構(gòu)中，使得當(dāng)處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，一個(gè)被壓縮，另一個(gè)被拉伸。溫度效應(yīng)對(duì)于兩者都是相同的(例如延長(zhǎng))，但是機(jī)械應(yīng)力的影響是不同的：這樣就可以對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。
將光纖包封在機(jī)械設(shè)備中，該材料在被測(cè)材料的相反方向上膨脹，以消除溫度效應(yīng)，并且不需要數(shù)學(xué)補(bǔ)償。
光纖傳感器應(yīng)用
“作為 法國(guó) ITER 項(xiàng)目 的一部分, 我們的傳感器需要適應(yīng)劇烈的溫度變化，從大約 -270°C 到 300°C，并且處在強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)中。在這種應(yīng)用中，電阻應(yīng)變片幾乎無(wú)法正常工作。“ Cristina Barbosa 解釋道。
橋梁，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和隧道等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，由于單個(gè)光纖可以容納數(shù)百個(gè)傳感器，尤其是隧道或管道監(jiān)測(cè)等大型項(xiàng)目中，其與傳統(tǒng)的應(yīng)變片相比，布線和安裝成本更低。
此外，由于光纖技術(shù)天生的抗電磁干擾性，光學(xué)測(cè)量技術(shù)可以用于存在大量電磁干擾或可能爆炸的環(huán)境(如煉油廠)中。
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