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)應力狀態(tài)的監(jiān)測中，主要有基于電阻應變電測技術(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

應變電測法的測量系統(tǒng)通常由應變片、應變儀、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，當構(gòu)件受力變形時，應變片的電阻值就發(fā)生相應的變化。通過電阻應變儀將這種電阻值的變化測量出來，并換算成應變值或輸出與應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，從而得到應力、應變值或其他物理量?；陔娮钁冸姕y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電阻應變測試技術(shù)。電阻應變測試技術(shù)，它是采用電阻應變計(又稱電阻應變片)作為傳感元件將構(gòu)件表面應變轉(zhuǎn)化為電阻變化，然后用電阻應變儀把電阻變化轉(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，由所測應變換算出應力。應變片測量應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，應變片的電阻變化率與應變值呈線性關(guān)系。②光纖光柵傳感技術(shù)。如圖3所示，當一束寬光譜光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，均會導致光柵周期發(fā)生變化。此外，光纖本身具有的彈光效應決定了它的有效折射率neff必定隨外界應力狀態(tài)的變化而變化，因此應力應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變傳感器并檢測應力應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，進而導致傳感的準確度、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，與波分復用和時分復用系統(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)應變解調(diào)儀、屏蔽電纜、若干條并接應變片的電纜(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)測學科的發(fā)展帶來了契機。