应变光纤传感器

光纤和电阻应变片对比

桥梁隧道需要采用应变片进行结构健康监控，那么，何种类型应变片是结构监控的正确选择?...

结构健康监控中, 新技术正在崛起

公共基础设施，包括桥梁，管道，隧道，地基，道路，水坝等都可能产生沉降导致功能故障。这些结构问题可能是恶化，不正确的施工方法，地震活动造成的。尽管电阻应变片长期以来被用于结构变化监控，但其耐久性方面天生的缺陷有时无法满足长期监控的要求。

什么是光纤传感器?

光纤应变片基于布拉格光栅(FBG)原理，布拉格光栅 (FBG) 是只有几毫米长度的微结构，可以光刻到单模光纤芯上。通过UV 激光束横向照射光纤并使用相位掩模的方式来产生干涉图。当光纤被拉伸或压缩时，光纤光栅能够测量应变。这是因为光纤的变形导致的布拉格波长的微观结构周期的变化。

光纤技术带来的优势

除了应变，光纤布拉格光栅还对温度敏感。这样FBG可以来监测温度，同时也意味着可将温度传感器与应变传感器组合，以进行温度补偿。除了应变和温度，基于FBG的传感器可以用在传感器中以监测各种其他参数，例如倾斜，加速度，压力等。

和电阻应变计相比，基于FBG的光纤应变计有更多优点。例如，长期的信号稳定性和系统耐久性; 即使在高水平的振动载荷下，例如在行驶过的道路和桥梁上，也不易遭受机械故障。距离和电缆长度对测量精度几乎没有影响;因为基于光纤的系统拥有最小的信号衰减，即使数据采集系统必须位于的传感器几公里的地方，数据的完整性仍然很高。单根测量导线可以连接连接不同基本波长的多个传感器，降低了所需的接线工作量。具有优异的电磁和射频干扰（EMI / RFI）的抗扰性。

更低的布线成本

FBG传感器高复用能力可以大大减少监视系统所需的布线成本。“复用”是指将许多不同类型的传感器连接到单根光纤上，这大大降低了网络和安装复杂性。具有数十个传感器的传感器阵列可以预组装，可以粘合或通过电焊的方式进行安装，或浇注到混凝土中。并且不需要多个解调仪，这使它们在中型/大型项目中具有更高的性价比。

适合恶劣的环境

FBG传感器非常适合在恶劣的环境中使用。除了EMI / RFI抗干扰能力外，它们还具有极高的耐水，湿度，盐，极端温度和高压（高达400 bar）和耐老化性能。并可安全用于潜在爆炸性环境和高压区域。

与电阻应变计不同，FBG传感器独立于解调仪。它们基于绝对参数的测量 - 布拉格波长 - 其独立于功率波动并且仅当应用应变（或温度变化）时才改变。

符合现代材料的疲劳特性

光纤传感器系统提供了更符合现代结构材料的疲劳性能。例如，轻质碳纤维片材具有比传统结构材料更高的疲劳和应变极限。甚至普遍使用的材料，如钢，混凝土和木材正在被越来越多地改进以优化其疲劳性能，因此他们也要求设计具有 较高疲劳极限 的监测系统。

下图为基础设施监视中使用光纤传感的最近示例。 HBM FiberSensing帮助巴西圣保罗地铁设计了一个传感器网络，对隧道进行实时监测，同时一座摩天大楼正在附近建设。在挖掘过程中需要隧道监测系统，并为摩天大楼建造支撑墙，以确保地铁线路的运行不中断。需要监控隧道轮廓的不同点处的应变。

监测隧道的两个部分，每个具有七个测量点，在每个测量点处具有一个应变和一个温度传感器。并连接到 FS22 解调仪上。每分钟采集一次数据，然后处理并保存到数据库。并与远程服务器PC，UPS和互联网连接。并使用布拉格波长的热效应补偿原理进行应变测量。在 第15届实验力学国际会议（“使用光纤传感器对圣保罗地铁隧道变形进行远程监测”）中提供的论文中提供了关于该项目的更多细节，包括系统原理图，可在以下网址获得：http://paginas.fe.up.pt/clme/icem15/ICEM15_CD/data/papers/3189.pdf.