光纖光柵傳感器的監測應用
光纖傳感器應用
很多剛接觸光纖的人們都只是簡(jiǎn)單的認為，光纖就是傳輸數據信號的的一條網(wǎng)線(xiàn)，比如現在很流行的5G的應用，還有家庭上網(wǎng)用的100M網(wǎng)線(xiàn)等等，光纖在工業(yè)和其他領(lǐng)域上的應用是作為一種傳感器。
光纖傳感器的發(fā)展
光纖傳感技術(shù)始于上個(gè)世紀七十年代，因為光纖的通信技術(shù)從而發(fā)展壯大，光纖傳感技術(shù)可以應用于軍工項目、國防、電力電纜、煤礦井下、科研實(shí)驗、溫度控制器、醫療核磁共振、化工危險品、醫療核磁共振、變壓器溫度監測等領(lǐng)域。在現在2019年，福州華光天銳已經(jīng)獲悉和部分投入研發(fā)生產(chǎn)的光纖傳感技術(shù)上百種，比如光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、流量、 位移、振動(dòng)、轉動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射等不同的物體測試和監控，都可以用華光天銳光纖傳感器來(lái)實(shí)現以上這些功能。
光纖傳感器原理舉例：光柵傳感器的基本原理：光柵的布拉格波長(cháng)是由某些參數來(lái)決定的。光纖光柵附近的一定范圍的溫度或其它物理量有不同的升高或者降低的時(shí)候，光柵的周期或纖芯折射率就會(huì )一起發(fā)生改變，然后使反射光的波長(cháng)發(fā)生變化。
長(cháng)周期光纖光柵（LPG）傳感器的原理
長(cháng)周期光纖光柵耦合從波導模光進(jìn)入它由于失去吸收和散射向前傳播的包層模式。從導模到包層模式的耦合是波長(cháng)相關(guān)的，因此我們可以獲得光譜選擇性損耗。它是一種光纖結構，其特性沿著(zhù)光纖周期性地變化，從而滿(mǎn)足幾種共同傳播模式相互作用的條件。這種結構的周期大約為幾分之一毫米。與光纖布拉格光柵相反，LPFG將具有緊密傳播常數的共同傳播模式耦合在一起;?因此，這種光柵的周期可以大大超過(guò)在光纖中傳播的輻射的波長(cháng)。因為L(cháng)PFG的周期遠大于波長(cháng)，所以L(fǎng)PFG制造起來(lái)相對簡(jiǎn)單。由于LPFG耦合共同傳播模式，它們的共振只能在透射光譜中觀(guān)察到。的透射光譜具有在對應于與各種包層模式（在一個(gè)單模光纖）的共振波長(cháng)驟降。
取決于用于寫(xiě)入LPFG?的擾動(dòng)的對稱(chēng)性，可以耦合不同對稱(chēng)的模式。例如，圓柱對稱(chēng)光柵耦合光纖的對稱(chēng)LP0m模式。微彎光柵，這是反對稱(chēng)相對于纖維軸，產(chǎn)生核模式和芯與包層的不對稱(chēng)LP1m模式之間的共振。
長(cháng)周期光柵具有廣泛的應用，包括帶阻濾波器，增益平坦濾波器和傳感器。
已經(jīng)設計了具有復雜結構的各種光柵：組合多個(gè)LPFG的光柵，具有上層結構的LPFG，啁啾光柵和具有變跡的光柵。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種基于LPFG的設備：濾波器，傳感器，光纖色散補償器等。
實(shí)際上，每種類(lèi)型的公共基礎設施 – 包括橋梁，管道，隧道，基礎，道路，水壩等 – 都會(huì )受到可能使其降級或導致故障的因素的影響。這些結構問(wèn)題可能是惡化，不正確的施工方法，地震活動(dòng)或附近建筑工程造成的。雖然電應變儀長(cháng)期以來(lái)一直用于監測結構變化，但它們有時(shí)缺乏在長(cháng)時(shí)間內提供準確，可操作的信息所必需的耐久性和完整性。
嵌入式應變傳感器安裝在混凝土澆筑之前的橋面板上。
基于光纖布拉格光柵（FBG）的光纖應變儀的工作原理與控制傳統電應變計的原理截然不同。簡(jiǎn)而言之，光纖布拉格光柵是通過(guò)用紫外激光修改標準單模電信光纖（鍺摻雜）而產(chǎn)生的微結構（通常為幾毫米長(cháng)）。該微結構產(chǎn)生該光纖折射率的周期性變化。當光沿著(zhù)光纖傳播時(shí)，布拉格光柵反射的波長(cháng)范圍非常窄;?所有其他波長(cháng)都通過(guò)光柵傳輸。該反射波長(cháng)帶的中心稱(chēng)為布拉格波長(cháng)（圖1和2）。在應力下，FBG的周期由于光纖的物理拉伸或壓縮而增加。
FBG光纖布拉格光柵的好處
除應變外，FBG對溫度也很敏感。這允許使用FBG來(lái)監控溫度，但這也意味著(zhù)將溫度傳感器與應變傳感器相結合是一種很好的做法，以便補償溫度對應變傳感器的影響。除了應變和溫度之外，基于FBG的傳感器還可用于傳感器，以監控各種其他參數，如傾斜，加速度，壓力等。
光纖布拉格光柵（FBG）應變傳感器的基本原理
基于FBG的光纖應變儀與電應變儀相比具有多種優(yōu)勢。例如，它們提供長(cháng)期信號穩定性和系統耐久性。即使在高水平的振動(dòng)載荷下，例如在重度行駛的道路和橋梁上，它們也不太容易受到機械故障的影響。距離和電纜長(cháng)度幾乎不會(huì )影響測量精度。由于基于光纖的系統僅經(jīng)歷最小的信號衰減，因此數據的完整性仍然很高，即使數據采集系統必須位于距離最遠的傳感器幾公里的位置。
光纖比銅導線(xiàn)更薄更輕，因此連接引線(xiàn)更輕。單個(gè)測量引線(xiàn)允許連接具有不同基波波長(cháng)的許多傳感器，從而降低所需的布線(xiàn)工作量。它們對電磁和射頻干擾（EMI / RFI）的抗擾性在諸如鐵路橋梁或電動(dòng)列車(chē)的隧道等結構中是非常寶貴的，這些結構會(huì )產(chǎn)生強烈的電磁場(chǎng)。
FBG傳感器的使用允許監控系統所需的布線(xiàn)量的大幅減少，這是由于該技術(shù)的固有的高復用能力，這確保了對被監控結構的最小影響。在這種情況下，“多路復用”是指將不同類(lèi)型的許多光學(xué)傳感器連接到單個(gè)光纖的能力，這降低了網(wǎng)絡(luò )和安裝的復雜性。帶有數十個(gè)傳感器的傳感器陣列可以預先組裝，以簡(jiǎn)化安裝 – 它們易于粘合到表面和材料上，點(diǎn)焊到結構或部件上，并在澆注時(shí)附著(zhù)或澆注到混凝土中。
它們的小尺寸和重量也使它們對于具有有限空間和嵌入應用的位置（例如復合結構）特別有吸引力。它們每個(gè)傳感器的成本相對較低，能夠將多種傳感器類(lèi)型組合在一根電纜中，并且系統中不需要多個(gè)讀寫(xiě)器，這使它們成為中型/大型項目的經(jīng)濟高效的解決方案。
它們也非常適合在惡劣環(huán)境中使用。除了EMI / RFI抗擾度外，它們還具有很高的耐水性和耐濕性，耐鹽性，極端溫度和高壓（高達400 bar）。它們也可安全用于潛在爆炸性環(huán)境和高壓區域。
與金屬箔應變儀不同，FBG傳感器獨立于詢(xún)問(wèn)器/采集系統而被引用。相反，它們基于絕對參數的測量 – 布拉格波長(cháng) – 與功率波動(dòng)無(wú)關(guān)，僅在應變（或溫度變化）時(shí)發(fā)生變化。測量傳感器產(chǎn)生的值的光學(xué)詢(xún)問(wèn)器本身也具有內置參考，其像“標尺”一樣用于精確地確定接收的波長(cháng)值。該內部參考允許在執行每次測量時(shí)校準詢(xún)問(wèn)器。
光纖傳感器系統為基礎設施工程師提供的疲勞極限更符合現代結構材料的疲勞行為。例如，輕質(zhì)碳纖維板比傳統結構材料具有更高的疲勞和應變極限。即使是常用的材料，如鋼，混凝土和木材，也越來(lái)越多地被改進(jìn)以?xún)?yōu)化其疲勞行為，因此他們也要求設計具有更高疲勞極限的監控系統。
基礎設施監測
在基礎設施監測中使用光纖傳感的最新例子。設計了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )，用于實(shí)時(shí)監控巴西圣保羅地鐵線(xiàn)路的隧道變形和融合，而附近正在建造一座摩天大樓。在挖掘過(guò)程中需要隧道監控系統，并為摩天大樓建造支撐墻，以確保地鐵線(xiàn)路的運行不會(huì )中斷，并且地鐵乘客的安全性不會(huì )受到影響。
本項目采用的確定隧道收斂的引伸方法使用基于FBG的傳感器測量沿隧道輪廓不同點(diǎn)的應變，并將其轉換為隧道支撐的位移。它還允許量化支持的收斂及其隨時(shí)間的幾何演變。
監測隧道的兩個(gè)部分，每個(gè)部分有七個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)測量點(diǎn)有一個(gè)應變和一個(gè)溫度傳感器。使用帶有四個(gè)光學(xué)通道的機架式來(lái)查詢(xún)所有傳感器，每分鐘采集一次數據，然后處理并保存到數據庫中。附近安裝了一個(gè)19英寸的機架，用于保護測量單元，服務(wù)器PC，UPS和互聯(lián)網(wǎng)連接。計算測量的波長(cháng)，以便對布拉格波長(cháng)的熱效應進(jìn)行應變測量，并估算收斂性。方法算法。
同樣，應變和溫度測量系統正用于長(cháng)期監測阿爾及利亞康斯坦丁河上1.1公里的斜拉橋。該系統與傳統技術(shù)傳感器和數據采集設備并行安裝，并作為完整的結構監測系統（SHM）集成。傳感器預先安裝在應變和溫度傳感器陣列中，以澆鑄在混凝土內。陣列的每一端都有一個(gè)光學(xué)連接器。每根帶有四根光纖的長(cháng)光學(xué)分支電纜和每端的連接器用于連接多個(gè)陣列位置。
這種預裝配和準備工作提高了安裝效率，不僅因為電纜更少，而且因為連接器的使用確保了安裝不需要使用特殊的人力或設備。一個(gè)四通道BraggMETER讀寫(xiě)器從22個(gè)應變傳感器和18個(gè)溫度傳感器收集同步數據，共計40個(gè)基于FGB的傳感器。詢(xún)問(wèn)器與其他數據采集系統一起安裝，并使用其可用的LAN接口同時(shí)進(jìn)行控制。
盡管工程師在結構監測中使用電應變計可能有數十年的經(jīng)驗，但這些應用證明了光纖傳感器如何提供各種經(jīng)濟和性能優(yōu)勢。
