光纖光柵傳感器的監(jiān)測(cè)應(yīng)用

實(shí)際上，每種類型的公共基礎(chǔ)設(shè)施 – 包括橋梁，管道，隧道，基礎(chǔ)，道路，水壩等 – 都會(huì)受到可能使其降級(jí)或?qū)е鹿收系囊蛩氐挠绊?。這些結(jié)構(gòu)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(yīng)變儀長(zhǎng)期以來(lái)一直用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變化，但它們有時(shí)缺乏在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供準(zhǔn)確，可操作的信息所必需的耐久性和完整性。

基于光纖布拉格光柵（FBG）的光纖應(yīng)變儀的工作原理與控制傳統(tǒng)電應(yīng)變計(jì)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(biāo)準(zhǔn)單模電信光纖（鍺摻雜）而產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)（通常為幾毫米長(zhǎng)）。該微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生該光纖折射率的周期性變化。當(dāng)光沿著光纖傳播時(shí)，布拉格光柵反射的波長(zhǎng)范圍非常窄;?所有其他波長(zhǎng)都通過(guò)光柵傳輸。該反射波長(zhǎng)帶的中心稱為布拉格波長(zhǎng)（圖1和2）。在應(yīng)力下，F(xiàn)BG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(yīng)變外，F(xiàn)BG對(duì)溫度也很敏感。這允許使用FBG來(lái)監(jiān)控溫度，但這也意味著將溫度傳感器與應(yīng)變傳感器相結(jié)合是一種很好的做法，以便補(bǔ)償溫度對(duì)應(yīng)變傳感器的影響。除了應(yīng)變和溫度之外，基于FBG的傳感器還可用于傳感器，以監(jiān)控各種其他參數(shù)，如傾斜，加速度，壓力等。

光纖布拉格光柵（FBG）應(yīng)變傳感器的基本原理

基于FBG的光纖應(yīng)變儀與電應(yīng)變儀相比具有多種優(yōu)勢(shì)。例如，它們提供長(zhǎng)期信號(hào)穩(wěn)定性和系統(tǒng)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(jī)械故障的影響。距離和電纜長(zhǎng)度幾乎不會(huì)影響測(cè)量精度。由于基于光纖的系統(tǒng)僅經(jīng)歷最小的信號(hào)衰減，因此數(shù)據(jù)的完整性仍然很高，即使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須位于距離最遠(yuǎn)的傳感器幾公里的位置。

光纖比銅導(dǎo)線更薄更輕，因此連接引線更輕。單個(gè)測(cè)量引線允許連接具有不同基波波長(zhǎng)的許多傳感器，從而降低所需的布線工作量。它們對(duì)電磁和射頻干擾（EMI / RFI）的抗擾性在諸如鐵路橋梁或電動(dòng)列車的隧道等結(jié)構(gòu)中是非常寶貴的，這些結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)。

FBG傳感器的使用允許監(jiān)控系統(tǒng)所需的布線量的大幅減少，這是由于該技術(shù)的固有的高復(fù)用能力，這確保了對(duì)被監(jiān)控結(jié)構(gòu)的最小影響。在這種情況下，“多路復(fù)用”是指將不同類型的許多光學(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(fù)雜性。帶有數(shù)十個(gè)傳感器的傳感器陣列可以預(yù)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(jié)構(gòu)或部件上，并在澆注時(shí)附著或澆注到混凝土中。

它們的小尺寸和重量也使它們對(duì)于具有有限空間和嵌入應(yīng)用的位置（例如復(fù)合結(jié)構(gòu)）特別有吸引力。它們每個(gè)傳感器的成本相對(duì)較低，能夠?qū)⒍喾N傳感器類型組合在一根電纜中，并且系統(tǒng)中不需要多個(gè)讀寫(xiě)器，這使它們成為中型/大型項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)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(dá)400 bar）。它們也可安全用于潛在爆炸性環(huán)境和高壓區(qū)域。

與金屬箔應(yīng)變儀不同，F(xiàn)BG傳感器獨(dú)立于詢問(wèn)器/采集系統(tǒng)而被引用。相反，它們基于絕對(duì)參數(shù)的測(cè)量 – 布拉格波長(zhǎng) – 與功率波動(dòng)無(wú)關(guān)，僅在應(yīng)變（或溫度變化）時(shí)發(fā)生變化。測(cè)量傳感器產(chǎn)生的值的光學(xué)詢問(wèn)器本身也具有內(nèi)置參考，其像“標(biāo)尺”一樣用于精確地確定接收的波長(zhǎng)值。該內(nèi)部參考允許在執(zhí)行每次測(cè)量時(shí)校準(zhǔn)詢問(wèn)器。

光纖傳感器系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)施工程師提供的疲勞極限更符合現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料的疲勞行為。例如，輕質(zhì)碳纖維板比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料具有更高的疲勞和應(yīng)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)以優(yōu)化其疲勞行為，因此他們也要求設(shè)計(jì)具有更高疲勞極限的監(jiān)控系統(tǒng)。

基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)

在基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)中使用光纖傳感的最新例子。設(shè)計(jì)了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控巴西圣保羅地鐵線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(jiān)控系統(tǒng)，并為摩天大樓建造支撐墻，以確保地鐵線路的運(yùn)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(xiàng)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(cè)量沿隧道輪廓不同點(diǎn)的應(yīng)變，并將其轉(zhuǎn)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(jiān)測(cè)隧道的兩個(gè)部分，每個(gè)部分有七個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)有一個(gè)應(yīng)變和一個(gè)溫度傳感器。使用帶有四個(gè)光學(xué)通道的機(jī)架式來(lái)查詢所有傳感器，每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，然后處理并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。附近安裝了一個(gè)19英寸的機(jī)架，用于保護(hù)測(cè)量單元，服務(wù)器PC，UPS和互聯(lián)網(wǎng)連接。計(jì)算測(cè)量的波長(zhǎng)，以便對(duì)布拉格波長(zhǎng)的熱效應(yīng)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，并估算收斂性。方法算法。

同樣，應(yīng)變和溫度測(cè)量系統(tǒng)正用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)阿爾及利亞康斯坦丁河上1.1公里的斜拉橋。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術(shù)傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備并行安裝，并作為完整的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SHM）集成。傳感器預(yù)先安裝在應(yīng)變和溫度傳感器陣列中，以澆鑄在混凝土內(nèi)。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(zhǎng)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(yù)裝配和準(zhǔn)備工作提高了安裝效率，不僅因?yàn)殡娎|更少，而且因?yàn)檫B接器的使用確保了安裝不需要使用特殊的人力或設(shè)備。一個(gè)四通道BraggMETER讀寫(xiě)器從22個(gè)應(yīng)變傳感器和18個(gè)溫度傳感器收集同步數(shù)據(jù)，共計(jì)40個(gè)基于FGB的傳感器。詢問(wèn)器與其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中使用電應(yīng)變計(jì)可能有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，但這些應(yīng)用證明了光纖傳感器如何提供各種經(jīng)濟(jì)和性能優(yōu)勢(shì)。