光纖應(yīng)變傳感器的原理和特點
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傳輸光，而不是進行測量。
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，最長可達幾公里，沿其長度有許多測量點。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行保護。
那么，纖芯和包層之間的密度差異為何如此重要？激光用于使光通過光纖。兩種不同的纖維材料密度會形成一個屏障，將光引導(dǎo)到纖維內(nèi)部，從而不會散射。為使此工作有效，光纖不能彎曲的太嚴重。它很靈活，不會破裂，但是光線可能會在彎道處逸出。
光纖作為傳感器
為了創(chuàng)建實際的應(yīng)變傳感器，在生產(chǎn)過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。當激光發(fā)出的光照射到該圖案時，某些波長會被反射，而其他波長則會通過。
重大干擾（“切片”）以一定間隔放置。當光纖被拉伸或壓縮時（因此受到正應(yīng)變或負應(yīng)變），這些間隔會改變。拉伸光纖時，光纖會伸長，空間會變大，反之亦然。
當FBG處于應(yīng)變狀態(tài)時，反射的光不僅需要更長或更短的時間才能傳播回來，而且反射的波長也會發(fā)生變化。用科學(xué)術(shù)語來說，F(xiàn)BG具有一定的折射率。材料的折射率描述了穿過材料時多少光被彎曲或折射。當光柵由于應(yīng)變而改變形狀時，其折射率也改變。
一個光纖布拉格光柵的整體長度約為5毫米，盡管肉眼無法看到單獨的材料干涉，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光纖中，每根光纖光柵都可以作為單獨的應(yīng)變傳感器使用。
當將光纖施加到一種材料上時，它將與這種材料一起被拉緊。所測量的應(yīng)變繼而將允許分析材料中的機械應(yīng)力，這是大多數(shù)應(yīng)變測量的目的。
舉一個實際的例子，當將纖維施加到長隧道的壁上時，當壁的材料中存在應(yīng)力時，纖維會拉緊。例如，這可能是由于火車駛過而引起的振動。多年來，當墻面沉降或什至出現(xiàn)薄弱點或裂縫時，從有關(guān)應(yīng)變的信息以及傳感器所獲得的機械應(yīng)力的信息中就可以看出這一點，這是需要維護的有用早期指示。
為了進行測量，需要將光纖連接到所謂的詢問器。它連續(xù)發(fā)出不同波長的光，一次發(fā)出一個，從而涵蓋了廣譜。這稱為“掃頻激光器”。光傳播通過光纖，在某些時候被FBG反射并返回到詢問器。
由于各個FBG的周期不同，因此可以區(qū)分不同傳感器的信號。其余的光到達光纖末端時會折射，以免干擾測量。可以從FBG返回的原始光信號中推斷出實際應(yīng)變以及材料應(yīng)力。
溫度補償至關(guān)重要
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，在溫度升高時會膨脹，而在溫度降低時會收縮。折射率也改變。沒有補償，這將導(dǎo)致應(yīng)變的測量不是由材料應(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；通過比較數(shù)據(jù)并減去溫度影響，可以進行數(shù)學(xué)補償。
- 將兩個FBG置于推挽式配置中，以便在承受壓力時將其中一個壓縮，而將另一個拉伸。兩者的溫度效應(yīng)是相同的（例如延長），但是機械應(yīng)力的影響卻不同：對于一個FBG，應(yīng)變在牽引下是“正”的，而對于另一個FBG，應(yīng)變是“負”的，因為它被壓縮了。因此，數(shù)學(xué)補償成為可能。
- 將光纖封裝在機械設(shè)備中，該機械設(shè)備在與被測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，并且不需要進行數(shù)學(xué)補償。
光纖傳感器的應(yīng)用
“作為光纖測溫項目的一部分，我們的傳感器需要在強烈的電磁場下，應(yīng)對大約-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)可為大型項目（例如隧道或管道監(jiān)控）提供支持。
此外，光學(xué)測量技術(shù)是所有需要解決傳統(tǒng)應(yīng)變儀所需電力問題的應(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)變計不起作用的地方，光學(xué)應(yīng)變計可能會起作用。
