光纤传感器阵列的配置和安装

布拉格光栅(FBG)技术特点之一是固有的复用能力。传感器具有特定且不同的布拉格波长,因此可以串联使用,只要传感器信号不重叠,就不会影响测量值的正确读数。

传感器或传感器阵列可以单独使用,或者采用熔接机将两根光纤连接在一起,也就是将传感器阵列熔接在一起。熔接后,传感器或传感器阵列可以连接到光纤解调仪的同一个光通道,但必须注意传感器波长的选择、电缆长度和熔接对信号造成的功率损失等。

1. 传感器选择

HBM 提供多种基于布拉格光栅的传感器,在光损耗在规定范围,波长信号不重叠的情况下,所有传感器都可以连接到光纤解调仪的同一个光通道上。下面给出的提示适用于光纤应变测量,但可以适用于其他类型光纤传感器。

为了选择最合适的传感器类型,必须考虑以下要求:

a) 测量范围

不同传感器封装会限制他们的 测量范围。在选择传感器类型时,测量范围的要求可能是排除其他类型传感器的因素。

b) 安装方式

HBM 提供多种安装方式的光纤传感器,包括黏贴、焊接、嵌入或栓接等方式。安装方式会影响安装的速度和成本,也可能会排除其他选项。在金属结构上安装传感器时,焊接是一种最快速有效的方法,因为无需等待粘合剂固化。对于复合材料,有粘合或嵌入两种选择。纤维复合材料通常不建议采用螺栓连接,因为钻孔会损坏光纤,但对于混凝土或金属结构来说,螺栓连接却是一种很好的解决方案。

c) 鲁棒性

传感器种类繁多,鲁棒性不同。有些传感器采用实验室电缆,有些使用是室内、室外或是绝缘电缆,这些将限制传感器的应用范围。选择合适的传感器,在特定环境中就不需要进一步保护。

d) 电缆弯曲半径和长度

HBM 光纤应变传感器分为两个系列,两个系列在光纤特性上有所不同。OP Line 系列具有高弯曲能力,可在弯曲半径较小的应用中使用(例如弯曲表面上)。FS Line 系列灵活性较低,但可在数公里内自由使用,且不会造成显著的光学损失。

e) 工作温度

应变测量可以在多种环境下进行。但对于高温或低温应用,只有部分光纤应变片适用。

f) 温度补偿

基于FBG的应变传感器对温度变化敏感,建议进行校正。

HBM FiberSensing 为无热化应变传感器提供了独特的解决方案,消除了温度变化对FBG波长的固有影响(而不是试样的热膨胀)。选择这种应变传感器时,不需要进行温度补偿。而对于其他应变传感器,可通过以下方式进行温度补偿,例如:

  • 在应变传感器相同的温度下放置温度传感器:在应变传感器的相同位置上进行温度测量,通过传感器的热交叉灵敏度(如数据和校准表上所述)和基材的热膨胀,进行应变测量校正。
  • 光纤补偿元件:对于某些应变传感器,可以使用专用温度补偿 FBG 传感器进行温度补偿。
  • 使用另外仅测量温度引起应变的光纤应变片,用于相同的材料且相同的温度条件下,对温度引起的应变进行补偿。
  • 将相同的应变片安装在试样另一面,将产生应变值相同,信号不同的信号:传感器在这种推拉结构下工作时,则可消除温度产生的应变。

阵列所需的传感器数量应考虑上述选项。

2. 波长选择

传感器之间的布拉格波长距离定义了两个传感器的最大测量范围,因为如果信号重叠,测量将受到影响。每个传感器的使用波长范围取决于其测量范围,温度工作范围,以及传感器灵敏度、传感器交叉灵敏度和材料热膨胀引起的热感应波长偏移。

从传感器的中心波长(λ0)开始,保留的波长范围是从最小可能到最大可能值之间的波长值:

  1. FS line 传感器波长间隔为 6.4 nm
  2. OP line 传感器波长间隔为 5 nm

3. 控制光损耗

FBG 传感器测量链中每个光通道连接数不仅取决于所使用的连接类型,还取决于光纤解调仪、光纤类型和长度,以及安装过程(电缆路径、微曲率等)可能导致的光信号损失等。

a) 连接器与熔接

当测量链中连接光纤应变传感器时,可以使用两种连接:连接器与熔接。

连接器更容易在现场使用,然而,它们对光信号造成更高的损耗,并且随着时间的推移更容易退化。

另一方面,熔接能够让两根光纤在寿命期内都保持稳定,并具有较低的光学损耗。然而,熔接需要专用工具、经过培训的专业人员和更长的安装时间。

为了尽可能缩短安装时间,同时增加传感器阵列中连接的传感器数量,HBM Fibersensing 提供了预先组装的传感器阵列,以适应不同的应用。

b) 光纤类型和长度

HBM 两个系列光纤传感器上使用的是不同类型的光纤:FS Line 传感器的光纤内芯是 9微米,OP Line 的为6微米。FS Line 在数公里内不会产生大的信号衰减,适合长距离传输。而 OP Line 信号衰减较大。

当两种类型的光纤连接在一起时,即使通过熔接方式,也会在接口上产生很高的损耗,从而限制不同类型的光纤在测量链中使用的次数。

c) 传感器反射率

FBG传感器的测量原理是基于入射光的反射光谱。反射回来的信号是入射光的百分比。FS Line 传感器的反射率约为65%,而 OP Line 传感器的反射率小于15%。在计算损耗时,还应考虑传感器的反射率。

d) 光纤解调仪的动态范围

光纤测量链上的允许损耗由光纤解调仪的可用动态范围决定。动态范围可以看作是光谱的信噪比测量。受损信号一旦大于或接近动态范围,解调仪将无法获取。

应仔细检查 传感器, 解调仪 和 附件 技术特性,以优化光学测量链性能。.

HBM 可为您正确选择光纤测量链提供支持。

相关产品

FS62 - 光学应变传感器
FS62 是 HBM FiberSensing 的高性能光学应变传感器
K-OP: 可配置光纤传感器测量链
带有高性能涂层的光纤应变片具有优异的弯曲性能,适合用于高应变测量
K-OP-A: 铠装光纤测量链
铠装光纤应变片和应变花适合用于恶劣环境下高应变测量
OptiMet by HBM™:带有应变测量链
单根光纤带有多个布拉格光栅,多种保护涂层,适合苛刻应用中的应变多点测量。
联系我们 如果您希望与HBM联系,无论是技术问题还是希望进行商务合作或者是产品咨询,我们都将为您服务