图 1. 布拉格光栅(FBG)应变片的工作原理

结构健康监控中, 新技术正在崛起

公共基础设施,包括桥梁,管道,隧道,地基,道路,水坝等都可能产生沉降导致功能故障。这些结构问题可能是恶化,不正确的施工方法,地震活动造成的。尽管电子应变片长期以来被用于结构变化监控,但其耐久性方面天生的缺陷有时无法满足长期监控的要求。

什么是光纤传感器?

光纤应变片基于布拉格光栅(FBGs)原理,布拉格光栅 (FBG) 是只有几毫米长度的微结构,可以光刻到单模光纤芯上。通过UV 激光束横向照射光纤并使用相位掩模的方式来产生干涉图 (图 1 和 2)。当光纤被拉伸或压缩时,光纤光栅能够测量应变。这是因为光纤的变形导致的布拉格波长的微观结构周期的变化。

图2.使用相位掩模法制造光纤布拉格光栅。 相位掩模产生入射UV光的两个折射级,在光纤的芯处产生最大和最小干扰的图案。 光纤的折射率根据其所暴露的光的强度而永久地改变。 光纤内不同光学性质的这种精确间隔构成布拉格光栅。

光纤技术带来的优势

除了应变,光纤布拉格光栅对温度敏感。这样FBG可以来监测温度,同时也意味着可将温度传感器与应变传感器组合,以进行温度补偿。除了应变和温度,基于FBG的传感器可以用在传感器中以监测各种其他参数,例如倾斜,加速度,压力等。

和电阻应变计相比,基于FBG的光纤应变计有更多优点。例如,长期的信号稳定性和系统耐久性; 即使在高水平的振动载荷下,例如在行驶过的道路和桥梁上,也不易遭受机械故障。距离和电缆长度对测量精度几乎没有影响;因为基于光纤的系统拥有最小的信号衰减,即使数据采集系统必须位于的传感器几公里的地方,数据的完整性仍然很高。单根测量导线可以连接连接不同基本波长的多个传感器,降低了所需的接线工作量。具有优异的电磁和射频干扰(EMI / RFI)的抗扰性。

更低的布线成本

FBG传感器高复用能力可以大大减少监视系统所需的布线成本。“复用”是指将许多不同类型的传感器连接到单根光纤上,这大大降低了网络和安装复杂性。具有数十个传感器的传感器阵列可以预组装,可以粘合或通过电焊的方式进行安装,或浇注到混凝土中。并且不需要多个解调仪,这使它们在中型/大型项目中具有更高的性价比。

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适合恶劣的环境

其非常适合在恶劣的环境中使用。除了EMI / RFI抗干扰能力外,它们还具有极高的耐水,湿度,盐,极端温度和高压(高达400 bar)和耐老化性能。并可安全用于潜在爆炸性环境和高压区域。

与电阻应变计不同,FBG传感器独立于解调仪。它们基于绝对参数的测量 - 布拉格波长 - 其独立于功率波动并且仅当应用应变(或温度变化)时才改变。

图 3. 在隧道监控区进行安装

符合现代材料的疲劳特性

光纤传感器系统提供了更符合现代结构材料的疲劳性能。例如,轻质碳纤维片材具有比传统结构材料更高的疲劳和应变极限。甚至普遍使用的材料,如钢,混凝土和木材正在被越来越多地改进以优化其疲劳性能,因此他们也要求设计具有较高疲劳极限的监测系统。

图3示出了在基础设施监视中使用光纤传感的最近示例。 HBM FiberSensing帮助设计了一个传感器网络,用于在巴西圣保罗地铁,对隧道进行实时监测,同时一座摩天大楼正在附近建设。在挖掘过程中需要隧道监测系统,并为摩天大楼建造支撑墙,以确保地铁线路的运行不中断。需要监控隧道轮廓的不同点处的应变。

监测隧道的两个部分,每个具有七个测量点,在每个测量点处具有一个应变和一个温度传感器。并连接到 FS22 解调仪上。每分钟采集一次数据,然后处理并保存到数据库。并与远程服务器PC,UPS和互联网连接。并使用布拉格波长的热效应补偿原理进行应变测量。在第15届实验力学国际会议(“使用光纤传感器对圣保罗地铁隧道变形进行远程监测”)中提供的论文中提供了关于该项目的更多细节,包括系统原理图,可在以下网址获得:http://paginas.fe.up.pt/clme/icem15/ICEM15_CD/data/papers/3189.pdf.