光纖應(yīng)變傳感器的原理和特點(diǎn)

固有光纖應(yīng)變傳感器，其中光纖本身就是傳感器。其他類型的光纖傳感器使用光纖本身來(lái)傳輸光，而不是進(jìn)行測(cè)量。

光纖通常由玻璃纖維或石英纖維和塑料涂層組成。它很像普通的電信光纖，最長(zhǎng)可達(dá)幾公里，沿其長(zhǎng)度有許多測(cè)量點(diǎn)。光纖本身由兩層組成：纖芯和較低密度的包層。將塑料涂層包裹在石英纖維周圍以進(jìn)行保護(hù)。

那么，纖芯和包層之間的密度差異為何如此重要？激光用于使光通過(guò)光纖。兩種不同的纖維材料密度會(huì)形成一個(gè)屏障，將光引導(dǎo)到纖維內(nèi)部，從而不會(huì)散射。為使此工作有效，光纖不能彎曲的太嚴(yán)重。它很靈活，不會(huì)破裂，但是光線可能會(huì)在彎道處逸出。

光纖作為傳感器

為了創(chuàng)建實(shí)際的應(yīng)變傳感器，在生產(chǎn)過(guò)程中用所謂的光纖布拉格光柵（FBG）內(nèi)接光纖。這基本上是材料干涉的一種模式，它與光纖其余部分的反射方式不同。為了更好地理解，您可以將光纖可視化為圓柱狀的透明材料，其中包含許多薄片。當(dāng)激光發(fā)出的光照射到該圖案時(shí)，某些波長(zhǎng)會(huì)被反射，而其他波長(zhǎng)則會(huì)通過(guò)。

重大干擾（“切片”）以一定間隔放置。當(dāng)光纖被拉伸或壓縮時(shí)（因此受到正應(yīng)變或負(fù)應(yīng)變），這些間隔會(huì)改變。拉伸光纖時(shí)，光纖會(huì)伸長(zhǎng)，空間會(huì)變大，反之亦然。

當(dāng)FBG處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，反射的光不僅需要更長(zhǎng)或更短的時(shí)間才能傳播回來(lái)，而且反射的波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化。用科學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)BG具有一定的折射率。材料的折射率描述了穿過(guò)材料時(shí)多少光被彎曲或折射。當(dāng)光柵由于應(yīng)變而改變形狀時(shí)，其折射率也改變。

一個(gè)光纖布拉格光柵的整體長(zhǎng)度約為5毫米，盡管肉眼無(wú)法看到單獨(dú)的材料干涉，只有在顯微鏡下才能看到?！?許多光纖布拉格光柵可以刻在一根長(zhǎng)光纖中，每根光纖光柵都可以作為單獨(dú)的應(yīng)變傳感器使用。

當(dāng)將光纖施加到一種材料上時(shí)，它將與這種材料一起被拉緊。所測(cè)量的應(yīng)變繼而將允許分析材料中的機(jī)械應(yīng)力，這是大多數(shù)應(yīng)變測(cè)量的目的。

舉一個(gè)實(shí)際的例子，當(dāng)將纖維施加到長(zhǎng)隧道的壁上時(shí)，當(dāng)壁的材料中存在應(yīng)力時(shí)，纖維會(huì)拉緊。例如，這可能是由于火車駛過(guò)而引起的振動(dòng)。多年來(lái)，當(dāng)墻面沉降或什至出現(xiàn)薄弱點(diǎn)或裂縫時(shí)，從有關(guān)應(yīng)變的信息以及傳感器所獲得的機(jī)械應(yīng)力的信息中就可以看出這一點(diǎn)，這是需要維護(hù)的有用早期指示。

為了進(jìn)行測(cè)量，需要將光纖連接到所謂的詢問(wèn)器。它連續(xù)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光，一次發(fā)出一個(gè)，從而涵蓋了廣譜。這稱為“掃頻激光器”。光傳播通過(guò)光纖，在某些時(shí)候被FBG反射并返回到詢問(wèn)器。

由于各個(gè)FBG的周期不同，因此可以區(qū)分不同傳感器的信號(hào)。其余的光到達(dá)光纖末端時(shí)會(huì)折射，以免干擾測(cè)量?？梢詮腇BG返回的原始光信號(hào)中推斷出實(shí)際應(yīng)變以及材料應(yīng)力。

基于光纖布拉格光柵的光纖傳感器極易受溫度影響。顯然，纖維與其他任何材料一樣，在溫度升高時(shí)會(huì)膨脹，而在溫度降低時(shí)會(huì)收縮。折射率也改變。沒有補(bǔ)償，這將導(dǎo)致應(yīng)變的測(cè)量不是由材料應(yīng)力引起的，而是由溫度變化引起的。有幾種補(bǔ)償技術(shù)，包括：

• 在光纖應(yīng)變傳感器旁邊安裝光纖溫度傳感器；通過(guò)比較數(shù)據(jù)并減去溫度影響，可以進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。
• 將兩個(gè)FBG置于推挽式配置中，以便在承受壓力時(shí)將其中一個(gè)壓縮，而將另一個(gè)拉伸。兩者的溫度效應(yīng)是相同的（例如延長(zhǎng)），但是機(jī)械應(yīng)力的影響卻不同：對(duì)于一個(gè)FBG，應(yīng)變?cè)跔恳率恰罢钡?，而?duì)于另一個(gè)FBG，應(yīng)變是“負(fù)”的，因?yàn)樗粔嚎s了。因此，數(shù)學(xué)補(bǔ)償成為可能。
• 將光纖封裝在機(jī)械設(shè)備中，該機(jī)械設(shè)備在與被測(cè)材料相反的方向上膨脹，從而使施加到FBG的應(yīng)力消除了溫度影響，并且不需要進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

光纖傳感器的應(yīng)用
“作為光纖測(cè)溫項(xiàng)目的一部分，我們的傳感器需要在強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)下，應(yīng)對(duì)大約-40°C至300°C的巨大溫度范圍的光學(xué)應(yīng)變傳感器應(yīng)用之一。

例如，在結(jié)構(gòu)健康或基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)監(jiān)視中，可以發(fā)現(xiàn)較少使用的應(yīng)用程序。由于單根光纖可以容納數(shù)百個(gè)傳感器，因此與傳統(tǒng)的應(yīng)變儀相比，光纜技術(shù)和安裝成本更低，因此光學(xué)技術(shù)可為大型項(xiàng)目（例如隧道或管道監(jiān)控）提供支持。

此外，光學(xué)測(cè)量技術(shù)是所有需要解決傳統(tǒng)應(yīng)變儀所需電力問(wèn)題的應(yīng)用的首選，包括具有大量電磁干擾（如太空）或極易爆炸的環(huán)境（如煉油廠）的環(huán)境，在電應(yīng)變計(jì)不起作用的地方，光學(xué)應(yīng)變計(jì)可能會(huì)起作用。