光纤布拉格光栅(FBS)传感器

通过使用光波代替电流以及使用标准光纤代替铜线作为传输介质,FBG光学传感解决了许多使用电气传感需要面临的挑战和解决的困难。光纤和FBG光学传感器都是绝缘体,具有被动性电学特性,并且不受电磁感应噪声的影响。具有高光学功率可调激光源的探询器可以以很低的数据丢失率甚至是零丢失来完成长距离的测量。同时,与电气传感器系统不同,一个光学通道可以同时完成多个FBG传感器的测试,极大地减小了测试系统的体积,重量以及复杂度。

在一些外部环境条件恶劣的应用现场中,一些常用的电气传感器,例如箔应变片,热电偶,以及振弦式传感器已经很难使用甚至已经失效的情况下,光学传感器是一个非常理想的解决办法。因为光学传感器的用途以及安装方法和这些传统的电气传感器类似,所以从电气测试方案过渡到光学测试方案会相对简单。如果能够对光纤和FBG的工作原理有一个比较好的了解,那将帮助你更好地接受光学测试技术并驾驭这种新技术所带来的所有优势。

一般的fbg传感器会拥有几个纳米的工作波长范围,所以光学探询器必须能够完成分辨率为几个皮米甚至更小的测量 – 一个相当小的量级。探询fbg光栅传感器可以有几种方法。干涉计是通常运用的实验室设备,它可以提供相当高分辨率的光谱分析。但是,这些仪器一般来说非常昂贵,体积庞大并且不够坚固,所以在一些涉及各种结构的现场监测的应用中,如风机叶片,桥梁,水管以及大坝等环境的监测中,这些仪器都不适用。  一种更加坚固的方法是引入了电荷耦合器件 (charge-coupled device - ccd) 以及固定的分散性单元,一般是指波长位置转换。  在这种方法中,会用一个广谱的光源照射fbg传感器 (或者一系列fbg传感器) 。这些反射光束会通过一个分散性单元,分散性单元会将波长不同的反射光束分别分配到电荷耦合器件(ccd)表面不同的位置上去。

由于光纤布拉格光栅可以被植入不同的特定反射波长,所以可以利用它来实现良好的波分复用 (WDM) 技术。这个特性使得可以在一条长距离的独立光纤上,以菊花链的形式连接多个不同的拥有特定布拉格波长的传感器。波分复用技术在可用的光学广谱中为每一个FBG传感器分配了一个特定的波长范围供其使用。由于光纤布拉格光栅固有的波长特性,就算在传输过程中由于光纤介质的弯曲和传输造成了光强的损耗和衰减,传感器测得的结果也仍然能够保持准确。

每一个独立的光纤布拉格光栅传感器的工作波长范围和波长探询器可探询的总波长范围决定了在一条单独的光纤上可以挂接的传感器的数量。一般来说,因为应变改变造成的波长改变会比温度改变造成的波长改变更加明显,所以一般会为FBG应变传感器分配大概5纳米的工作波长范围,而FBG温度传感器则分配大概1纳米的工作波长范围。又因为通常的波长探询器能提供的测试范围大概为60到80纳米,所以一条光纤上挂接的传感器数量一般可以从1个到80个不等。

光纤布拉格光栅会同时受到应变和温度变化的影响,所以在计算反射波长变化的时候既要同时考虑这两种因素,又要分别对其进行分析。当进行温度测量的时候,光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。你可以使用为此专门进行封装的FBG温度传感器,这种传感器能保证封装内部光纤布拉格光栅的属性不会耦合于任何外部的弯曲,拉伸,挤压或扭曲应变。在这种情况下,玻璃的热膨胀系数 αΛ 通常在实用中是可以忽略的;所以,因温度变化而造成的反射波长的改变就可以主要由该光纤的温度光学灵敏系数 αn 来决定了。

光纤布拉格光栅应变传感器在某种程序上讲就更加复杂了,因为温度和应变会同时影响传感器的反射波长。为了正确地进行的测量,在测试的时候,必须针对温度对光纤布拉格光栅造成的影响进行补偿。为了实现这种补偿,可以使用一个与FBG应变传感器有良好热接触的FBG温度传感器来完成。得到测试结果以后,只需要简单地从FBG应变传感器测得的波长改变中减去由FBG温度传感器测得的波长改变就可以从方程 (2) 中消去加号右边的第二个表达式,这样做就补偿了应变测试中温度变化造成的影响了。

安装光纤布拉格光栅应变传感器的过程和安装传统的电气应变传感器的过程类似,而且FBG应变传感器有许多种不同的种类和安装方法可供选择,包含环氧树脂型,可焊接型, 螺栓固定型和嵌入式型。

光纤传感器的研究重点方向就是所谓的“智能材料结构”,即可以实时采集材料结构自身的受力,温度等参数,来实现对材料整体性能的智能检测。在“智能材料”这方面,光纤光栅传感器有很好的潜力,非常适用于这种准分布式传感应用,因为光纤光栅是波长编码的,在材料中不同的监测点埋设不同波长的光栅作为传感元件,再通过使用波分复用和时分复用技术就可以实现成百上千传感点的准分布式传感,就可以实现“智能材料结构”,而正确的埋设方法也是其中的一个重要环节,研究者对布拉格光纤光栅传感器的封装与埋设也做了大量的研究,主要集中在以下方面:

(1)传感光栅的保护问题

由于光纤光栅实际上是一段光纤,所以它在剪切力的作用下很容易断,所以在埋设的过程中须对它采取相应的保护措施,进行相应的封装。

(2)传感光栅与材料之间的应力传递的建模

在应力传感过程中,传感光栅是埋设入材料中的,所以应力并不是直接作用在传感光栅上的,这就意味着在材料和光栅之间存在一个力的传递问题,这是提高传感准确度的一个重要方面。这就需要利用材料力学的知识建立适当的模型进行分析,更精确的分析还要采用有限元分析法。

(3)多轴应变的产生的影响

对于光纤光栅的埋设,光栅上受到的应力有可能是多个方向的,除了轴向应力还有横向应力,横向应力会使光纤产生双折射现象,也即导致了原来的单峰反射谱分裂成两个反射峰,这就给中心波长的准确检测带来了一定的困难。

由此可见,光栅的埋设技术是非常复杂的,如果需要准确传感,需要考虑的因素非常多,其中包括光栅的保护,材料与光栅之间应力的传递,应力引起的双折射效应以及非均匀应力引起的光谱展宽等等。