光纖光柵傳感方式的特征及優(yōu)點

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1引言

在對港口機械設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測中，主要有基于電阻應(yīng)變電測技術(shù)的監(jiān)測方法和基于光纖光柵傳感技術(shù)的監(jiān)測方法，其配套設(shè)備、數(shù)據(jù)采集原理、系統(tǒng)框架都存在巨大的差異。

2電測式監(jiān)測系統(tǒng)基本構(gòu)成

應(yīng)變電測法的測量系統(tǒng)通常由應(yīng)變片、應(yīng)變儀、記錄儀及計算分析設(shè)備等部分組成。它的基本原理是:將應(yīng)變片按構(gòu)件的受力狀況，合理的固定在被測構(gòu)件表面，當(dāng)構(gòu)件受力變形時，應(yīng)變片的電阻值就發(fā)生相應(yīng)的變化。通過電阻應(yīng)變儀將這種電阻值的變化測量出來，并換算成應(yīng)變值或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號(電流或電壓)，用記錄儀器記錄此電信號，再作分析與處理。也可用分析設(shè)備或計算機按預(yù)定的要求直接接受模擬電信號并進行數(shù)據(jù)處理，從而得到應(yīng)力、應(yīng)變值或其他物理量。基于電阻應(yīng)變電測技術(shù)的港機金屬結(jié)構(gòu)遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)基本框架圖描述如下：

3光纖光柵式監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成

光纖光柵式結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備通常包括以下幾類:①光纖光柵應(yīng)變傳感器;②數(shù)據(jù)接收器;③光纖光柵解調(diào)器;④工控機(數(shù)據(jù)分析系統(tǒng));⑤無線局域網(wǎng)+遠程主機等(如果需要實現(xiàn)遠程監(jiān)測，則還需要在采集器中集成數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊)。綜合看來，基于光纖光柵傳感技術(shù)的港機金屬監(jiān)測方法系統(tǒng)一般框架圖可以描述如下:此系統(tǒng)中，光纖光柵傳感器直接埋入或粘貼在結(jié)構(gòu)的表面，以進行結(jié)構(gòu)狀態(tài)的在線全程信號采集(其中包括用于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位健康狀傳感器和用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的傳感器)，在結(jié)構(gòu)上合理布置的。再用多種復(fù)雜技術(shù)(時分，頻分和波分)對光信號進行直接傳輸。從重大工程結(jié)構(gòu)上采集后的光信號，通過遠程傳輸光纖網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)浇】当O(jiān)測和損傷診斷中心。同時，可以在中心對數(shù)據(jù)采集方式進行遠程調(diào)控。

4兩種方式的比較

4．1傳感原理比較

①電阻應(yīng)變測試技術(shù)。電阻應(yīng)變測試技術(shù)，它是采用電阻應(yīng)變計(又稱電阻應(yīng)變片)作為傳感元件將構(gòu)件表面應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化，然后用電阻應(yīng)變儀把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，經(jīng)放大并測量這種變化再用其他儀器記錄，由所測應(yīng)變換算出應(yīng)力。應(yīng)變片測量應(yīng)變的工作原理是基于金屬絲的電阻隨其機械形變而變化的一種特性。令金屬絲的長度為L，直徑為D，截面積為A，電阻率為ρ，則金屬絲的電阻為:K與兩個因數(shù)有關(guān)，一個是電阻絲材料的泊松比，由電阻絲幾何尺寸改變引起，當(dāng)選定材料后，泊松比為常數(shù);另一個是電阻絲發(fā)生單位應(yīng)變引起的電阻率的改變，對大多數(shù)電阻絲而言也是一個常量。因此可以認為是一個常數(shù)。由此可見，應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變值呈線性關(guān)系。②光纖光柵傳感技術(shù)。如圖3所示，當(dāng)一束寬光譜光λ，經(jīng)過光纖Bragg光柵時，被光柵反射回一單色光λB，相當(dāng)于一個窄帶的反射鏡。反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期Λ和纖芯有效折射率neff有關(guān)。光纖光柵的傳感與原理如圖4所示。光纖光柵的反射或透射波長主要取決于光柵周期改變量ΔΛ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個參數(shù)發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵波長的漂移，具體的關(guān)系式如下:由于光柵無論是拉伸還是壓縮，均會導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化。此外，光纖本身具有的彈光效應(yīng)決定了它的有效折射率neff必定隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化，因此應(yīng)力應(yīng)變是所有反映光柵波長漂移的最直接外界因素，這就是光纖光柵材料可以制作成光纖應(yīng)變傳感器并檢測應(yīng)力應(yīng)變特性等基本物理參量的重要原因。試驗證明，采用光纖光柵溫度補償傳感器可以克服溫度對應(yīng)變測量的影響。

4.2傳感器的性能比較

①干擾問題。電阻式傳感器響應(yīng)輸出的電信號易受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁干擾等)的影響，進而導(dǎo)致傳感的準(zhǔn)確度、靈敏度、持久性的降低。光纖光柵傳感器的測量信息是波長編碼的，所以，光纖光柵傳感器不受光源的光強波動、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強的抗干擾能力;同時光纖光柵具有非傳導(dǎo)性，對被測介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點。

②分布性能及布線問題。電類傳感器大多為分離型器件，不易與復(fù)合物集成，沒有分布測量的能力，并且需要另外的信號傳輸載體，導(dǎo)致傳感器及引線的巨大增加，現(xiàn)場實施困難。光纖光柵傳感器在一根光纖中寫入多個光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，可實現(xiàn)分布式傳感。

③壽命問題。受光纖材料的影響，光纖傳感器存在抗外力能力弱的缺點，使用時需做好保護工作。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對其進行封裝后才能使用。較為傳統(tǒng)的傳感組元和傳感技術(shù)如應(yīng)變片、加速度計、超聲設(shè)備等并不具備上述能力，但是隨著傳感器制作工藝的不斷精細化及其使用市場的擴大化，此類傳感器的使用壽命正逐漸得到改善和加強。

④被測參量的多樣、多維性?；诓ㄩL調(diào)制的光纖光柵式傳感器，可以在統(tǒng)一的光纖介質(zhì)下，依據(jù)不同原理制作生產(chǎn)出光纖光柵應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等。在此基礎(chǔ)下，信號的轉(zhuǎn)換處理程序較為便利。⑤配套設(shè)備設(shè)施。由圖1、2可知，電測式監(jiān)測系統(tǒng)除電阻式傳感器外，所需的設(shè)備有動態(tài)應(yīng)變解調(diào)儀、屏蔽電纜、若干條并接應(yīng)變片的電纜(有線情況下)等，而光纖光柵式監(jiān)測系統(tǒng)除光纖光柵式應(yīng)變傳感器外，還需要一條串接傳感器的光纖線及光纖光柵解調(diào)儀等基本設(shè)備。

5結(jié)束語

結(jié)合上面的分析及描述，從傳感原理、傳感器性能以及監(jiān)測系統(tǒng)實用性和經(jīng)濟性等多方面綜合比較，可以得出下表1的結(jié)論。從上面的分析看來，光纖光柵式傳感器在技術(shù)上整體優(yōu)于應(yīng)變電測式傳感器。逐漸成熟并發(fā)展的基于光纖光柵傳感技術(shù)的監(jiān)測方法克服了電類傳感器在檢測中出現(xiàn)的相關(guān)問題，可實現(xiàn)遠距離傳感監(jiān)測，且靈敏度也大大的提高，提升了整個監(jiān)測系統(tǒng)的工作品質(zhì)。光纖傳感技術(shù)特別是光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于大型港口起重機械領(lǐng)域，將為大型港口起重機械健康監(jiān)測和安全狀況評估注入新的活力，為起重機械長期在線健康監(jiān)測學(xué)科的發(fā)展帶來了契機。