光纤应变片: 您应该了解的

光纤应变片 (也称为布拉格光栅传感器),用于测量应变,但可以集成不同类型的传感器到一根光纤中,例如温度,加速度或移位等。与传统的电阻应变片相比,光学应变片不需要供电,该技术基于通过光纤传播的光。

因此,传感器是完全被动和免疫的,例如电磁干扰。这也是在某些应用中光学应变片优于电阻应变片的原因。

Schematic image: The optical strain gauge consists of a silica core and cladding that channel the light in the fiber and an outer coating (usually plastic) for protection.
光学应变片由二氧化硅芯和包层组成。

结构

在本文中,我们将重点介绍光纤应变传感器,其中光纤本身是传感器。其他类型的光纤传感器使用光纤本身传输光,而不是用它来测量。

它像普通的电信光纤一样长,可以长达几公里,有许多测量点。纤维本身由两层组成:纤芯和密度较低的包层。塑料涂层缠绕在二氧化硅纤维上以进行保护。

工作原理

光纤作为传感器

为了制造实际的应变传感器,光纤在生产过程中用所谓的光纤布拉格光栅(FBG)进行内接。这基本上是材料干扰的一种模式,反射出与光纤的其余部分不同的光线。为了更好地理解,您可以将光纤视为圆柱形透明材料,其中有许多薄片。当来自激光的光线照射该薄片时,某些波长被反射,而其它波长则通过。

材料干扰 - “切片” 以一定的间隔放置。当光纤被拉伸或压缩时,因此受到正或负应变 - 这些间隔发生变化。当光纤被拉伸时,它变长,空间变大,反之亦然。

当光纤布拉格光栅处于应变状态时,反射光回传需要更长或更短的时间来回传,反射的波长也会发生变化。光纤布拉格光栅具有一定的折射率。材料的折射率描述了通过材料时弯曲或折射多少光。当光栅由于应变而改变形状时,其折射率也将产生改变。

整个光纤布拉格光栅总体约为5毫米,尽管用肉眼看不到单独的材料干扰。在显微镜下,许多光纤布拉格光栅可以刻录在一根长的光纤中,每个光栅作为单个应变传感器工作。

当光纤被施加到材料时,它将与材料一起产生变形。测量的应变用于允许分析材料中的机械应力。

为了给出实际的例子,当将光纤施加到隧道壁上时,当隧道壁材料中存在应力时,其将使光纤产生应变,这可能是由于列车冲击的振动或是多年来产生的墙壁沉降或裂缝,从相关的应变的信息确定是否需要进行维护。

光纤解调仪

对于测量,光纤需要连接到所谓的光纤解调器; 它能够连续发出不同波长的光,一次一个, 这被称为“扫描激光”。 光传播通过光纤,在某点由布拉格光栅反射,并返回解调器。

由于布拉格光栅具有不同周期,因此可以区分不同传感器的信号。 其余光线到达光纤末端时会折射,因此不影响测量。 从光栅返回的原始光信号可以推导出实际应变,获得材料应力。

.那么,为什么核心和包层之间的密度差是非常重要的呢? 激光用于通过光纤发光, 两种不同的纤维材料密度产生通道光纤内部的光,从而不散射光栅。 为了能进行工作,重要的是光纤没有太多弯曲。

温度补偿是关键

布拉格光栅传感器极易受温度影响。随着温度的升高,光纤随着温度的升高而膨胀。折射率也发生变化。没有补偿,这将导致获得的应力包括温度产生的应变。有以下几种补偿技术,包括:

  • 应变传感器边上安装温度传感器,从测量数据中减去温度效应来进行数学补偿。
  • 将两个光纤布拉格光栅放置在推挽式结构中,使得当处于应变状态时,一个被压缩,另一个被拉伸。温度效应对于两者都是相同的(例如延长),但是机械应力的影响是不同的:这样就可以对温度进行数学补偿。
  • 将光纤包封在机械设备中,该材料在被测材料的相反方向上膨胀,以消除温度效应,并且不需要数学补偿。

光纤传感器应用

“作为 法国 ITER 项目 的一部分, 我们的传感器需要适应剧烈的温度变化,从大约 -270°C 到 300°C,并且处在强烈的电磁场中。在这种应用中,电阻应变片几乎无法正常工作。“ Cristina Barbosa 解释道。

桥梁,风力发电机和隧道等结构健康监测应用中,由于单个光纤可以容纳数百个传感器,尤其是隧道或管道监测等大型项目中,其与传统的应变片相比,布线和安装成本更低。

此外,由于光纤技术天生的抗电磁干扰性,光学测量技术可以用于存在大量电磁干扰或可能爆炸的环境(如炼油厂)中。


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