张工聊光纤 | 光纤传感器和常规电阻应变片在结构监测上的对比

HBK测试与测量

2021年9月29日 17:11

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张工说

桥梁、管线、隧道、地基、路面、水坝等几乎每一种公共基础设施都会退化以至发生故障，导致出现这些结构问题的原因包括不正确的建造方法、地震活动、附近的建筑施工等。

虽然电阻应变片长期以来已经用于结构变化监测，但是在更长时间内提供精确、可控信息方面还缺乏必要的耐久性和完整性。

今天就和大家聊一聊 光纤传感器 和 常规电阻应变片 ，在 基础设施结构监测 应用上的对比。

首先，我想先介绍下基于 布拉格光栅(FBG)技术的光纤应变片 ，迥异于传统电阻应变片的 工作原理 及 适用性 。

简单地说，一个布拉格光栅就是在掺杂锗元素的标准单模通讯光纤上用紫外激光刻制的一个微型结构。这个微型结构使得这根光纤的折射率发生周期性的变化，当光沿着光纤传播时光栅反射很窄的波长范围的光，其它波长的光通过光栅继续传播。

图1 布拉格(FBG)光栅应变片工作原理

被反射回的波长带宽的中心波长定义为布拉格光栅的波长。在受应力状态下，布拉格光栅的波长周期由于光纤的伸长或收缩会增长，这个变化导致布拉格光栅波长的偏移，这个偏移通过光纤解调仪等数据采集系统捕捉并记录。

图2 使用相位掩模法制作布拉格光栅。掩模罩造成入射紫外线的二次折射，在光纤芯上确定最大和最小干涉模式，光纤的折射率根据引入光线强度发生永久改变，栅格的精确间距构成布拉格光栅。

除了应变以外，布拉格光栅同样对温度敏感。因此也可以使用布拉格光栅监测温度，但是也就意味着一个应变传感器配合一个温度传感器同时测量，可以对应变传感器的温度效应进行有效的补偿。另外，布拉格光栅也可以用做测量其它物理量的传感器，比如倾角、加速度、压力等等。

接下来，我再介绍下基于布拉格光栅的光纤应变片，与电阻应变片相比的优点和适用环境：

长久的信号稳定性和系统寿命，即使在高振动载荷条件下，例如车流量很大的道路和桥梁，都不容易发生机械故障。
距离和线缆长度几乎不会影响测量精度，因为光线系统的信号衰减很小，数据的完整性高，即使数据采集系统必须放置在距离传感器几公里以外的地方。光纤和铜线相比更细更轻，所以连接线缆的总体重量更小。
单根测量线缆可连接多个不同中心波长的传感器，减少布线工作量。对电磁和射频信号的抗干扰抵抗力强的特性，对于铁路桥梁或隧道等强电磁场环境下的结构测量非常重要。
布拉格光栅传感器技术特有的多路复用特性可以大幅度减少监测系统的线缆数量，从而确保对被测结构性能的影响。（多路复用技术是指在单根光纤上可以连接多个不同类型的传感器，降低组网和安装的复杂性。）
包含大量传感器的阵列可以事先组装好从而减小现场安装的工作量，阵列可以容易地胶粘到被测物的表面、点焊到结构件或零部件上、或者预埋在混凝土中。
体积小、重量轻的特点使得布拉格光栅传感器尤其适用于安装空间受限或者是嵌入式安装的场景，比如嵌入复合材料中。
单个传感器的低成本、在单根光纤上可组合多种类型传感器以及不需要多通道解调仪等，确定了光纤传感器对于中大型测试项目有很高的性价比。
光纤传感器也非常适用于恶劣环境，除了抗电磁或射频干扰，对于潮湿、盐雾、极端温度和高压(高达400 bar)也具有很好的适应性。他们也能使用于潜在爆炸和高电压环境。

不同于金属箔应变片，布拉格光栅传感器的参考独立于解调仪，是基于测量的绝对参数布拉格波长，它和光功率的波动无关，只和被测应变的影响。测量传感器数值的光纤解调仪本身也有一个内置的参考源，如同一把尺子精确地确定得到的波长值。这个内部参考在每次测量进行时校准解调仪。

光纤传感器系统为基础设施工程师们提供了和当代结构材料疲劳特性相一致的疲劳极限测试。比如轻质碳纤维板与传统的结构材料相比具有更高的疲劳和应变极限；即使更广泛使用的钢铁、混凝土和木材，也通过不断改造优化其疲劳特性，从而同样需要更高疲劳特性的监测系统。

应用案例

1）监测巴西圣保罗地铁线路的隧道变形和收敛特性

HBM FiberSensing 公司帮助设计了一个传感器网络用于实时监测在巴西圣保罗一条运行的地铁线路的隧道变形和收敛特性，附近一个高层建筑正在施工建设。隧道监测系统要保证高层建筑支撑墙的挖掘和施工过程不能影响地铁运行，同时确保乘客的安全。确定隧道收敛性的引伸计方法在这个项目中使用布拉格光栅传感器来测量在隧道不同点的应变值并转换为隧道支撑的位移量。同时能量化这些支撑的收敛特性和几何尺寸随时间的变化。

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图3 隧道监测某个测量面的安装

对隧道的两个截面实施监测，每个截面有7个测量点，每个测量点安装一个应变传感器和一个温度传感器。一台4通道、机架安装式FS22解调仪用来借解调所有的传感器，数据每分钟采集一次，处理后保存在一个数据库。一个19寸机架安装在附近保护测量单元、服务器PC、UPS电源和互联网连接装置。被测的波长值经过计算得到经过温度补偿的应变值和评估的收敛特性。

2）监测阿尔及利亚索拉大桥的应变和温度测量

一套HBM FiberSensing公司的应变和温度测量系统用于长期监测阿尔及利亚康斯坦丁Rhumel河上一座长1.1公里的索拉大桥。这套系统和常规技术的传感器、数据采集系统并行安装并即集成一整套结构监测系统。事先组装为阵列的应变和温度传感器预埋在混凝土中，阵列的每一端有一个光纤接头。有四根光纤和接头的光缆用来连接多个阵列。这种预先组装的传感器阵列提高了现场安装的效率，不只是因为光缆数量的减少，也因为是预装了接头从而在现场不需要专业人员和设备。一台4通道光纤解调仪同步采集22个应变传感器和18个温度传感器的数据。这台解调仪和其它数据采集系统连接并且通过局域网控制。

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