光纤应变片如何工作?

光纤应变片: 您应该了解的

光纤应变片 (也称为布拉格光栅传感器)，用于测量应变，但可集成不同类型的传感器到一根光纤中，例如温度、加速度或移位等。与传统的电阻应变片相比，光纤应变片不需要供电，该技术基于通过光纤传播的光。

因此，传感器是完全被动和免疫的，例如可抗电磁干扰。这也是在某些应用中光纤应变片优于电阻应变片的原因。

结构

在本文中，我们将重点介绍光纤应变传感器，其中光纤本身是传感器。其他类型的光纤传感器使用光纤本身传输光，而不是用它来测量。

它像普通的电信光纤一样长，可以长达几公里，有许多测量点。纤维本身由两层组成：纤芯和密度较低的包层。塑料涂层缠绕在二氧化硅纤维上以进行保护。

工作原理

光纤作为传感器

为了制造实际的应变传感器，光纤在生产过程中用所谓的光纤布拉格光栅(FBG)进行内接。这基本上是材料干扰的一种模式，可反射出与光纤的其余部分不同的光线。为了更好地理解，您可以将光纤视为圆柱形透明材料，其中有许多薄片。当来自激光的光线照射该薄片时，某些波长被反射，而其它波长则通过。

材料干扰——“切片” 以一定的间隔放置。当光纤被拉伸或压缩时，因此受到正或负应变，这些间隔发生变化。当光纤被拉伸时，它变长，空间变大，反之亦然。

当光纤布拉格光栅处于应变状态时，反射光回传需要更长或更短的时间来回传，反射的波长也会发生变化。光纤布拉格光栅具有一定的折射率。材料的折射率描述了通过材料时弯曲或折射多少光。当光栅由于应变而改变形状时，其折射率也将产生改变。

整个光纤布拉格光栅总体约为5毫米，尽管用肉眼看不到单独的材料干扰。在显微镜下，许多光纤布拉格光栅可以刻录在一根长的光纤中，每个光栅作为单个应变传感器工作。

当光纤被施加到材料时，它将与材料一起产生变形。测量的应变用于允许分析材料中的机械应力。

为了给出实际的例子，当将光纤施加到隧道壁上时，当隧道壁材料中存在应力时，其将使光纤产生应变，这可能是由于列车冲击的振动或是多年来产生的墙壁沉降或裂缝，从相关的应变的信息确定是否需要进行维护。

光纤解调仪

对于测量，光纤需要连接到所谓的光纤解调器; 它能够连续发出不同波长的光，一次一个， 这被称为“扫描激光”。 光传播通过光纤，在某点由布拉格光栅反射，并返回解调仪。

由于布拉格光栅具有不同周期，因此可以区分不同传感器的信号。其余光线到达光纤末端时会折射，因此不影响测量。从光栅返回的原始光信号可以推导出实际应变，获得材料应力。

那么，为什么核心和包层之间的密度差是非常重要的呢? 激光用于通过光纤发光， 两种不同的纤维材料密度产生通道光纤内部的光，从而不散射光栅。 为了能进行工作，重要的是光纤没有太多弯曲。

温度补偿是关键

布拉格光栅传感器极易受温度影响。随着温度的升高，光纤随着温度的升高而膨胀。折射率也发生变化。没有补偿，这将导致获得的应力包括温度产生的应变。有以下几种补偿技术，包括：

应变传感器边上安装温度传感器，从测量数据中减去温度效应来进行数学补偿。

将两个光纤布拉格光栅放置在推挽式结构中，使得当处于应变状态时，一个被压缩，另一个被拉伸。温度效应对于两者都是相同的(例如延长)，但是机械应力的影响是不同的：这样就可以对温度进行数学补偿。

将光纤包封在机械设备中，该材料在被测材料的相反方向上膨胀，以消除温度效应，并且不需要数学补偿。

光纤传感器应用

“作为法国 ITER 项目的一部分, 我们的传感器需要适应剧烈的温度变化，从大约-270°C到300°C，并且处在强烈的电磁场中。在这种应用中，电阻应变片几乎无法正常工作。”Cristina Barbosa 解释道。

桥梁/风力发电机和隧道等结构健康监测应用中，由于单根光纤可以容纳数百个传感器，尤其是隧道或管道监测等大型项目中，其与传统的应变片相比，布线和安装成本更低。

此外，由于光纤技术自身的抗电磁干扰性，光学测量技术可以用于存在大量电磁干扰或可能爆炸的环境(如炼油厂)中。