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光纤光栅传感系统不同领域应用

编辑:苏州华安瑞成科技有限公司  时间:2018/05/17
前言:光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量,光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息,外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。据分析,未来的光纤光栅传感系统将能满足单点高精度的实时测量,又能适应网络化的准分布式的多点、多参量的测试要求,在未来的传感领域发挥更大的作用。

光纤光栅传感系统在不同领域中的应用

1、在地球动力学中的应用

在地震检测等地球动力学领域中,地表骤变等现象的原理及其危险性的估定和预测是非常复杂的,而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关键活动范围演变的最有效手段心。光纤光栅传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。活动区的应变通常包含静态和动态两种,静态应变(包括由火山产生的静态变形等)一般都定位于与地质变形源很近的距离,而以震源的震波为代表的动态应变则能够在与震源较远的地球周边环境中检测到。为了得到相当准确的震源或火山源的位置,更好地描述源区的几何形状和演变情况,需要使用密集排列的应力-应变测量仪。光纤光栅传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器,符合地震检测等的要求,因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。有报道指出,光纤光栅传感器已成功检测了频率为0.1Hz~2Hz,大小为10-9e的岩石和地表动态应变。

2、在航天器及船舶中的应用

先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好,而且可以减轻船体或航天器的重量,对于快速航运或飞行具有重要意义,因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。

为全面衡量船体的状况,需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力,普通船体大约需要100个传感器,因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力,而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统成功实现了带宽为5kHz范围内、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的动态应变测量。

另外,为了监测一架飞行器的应变、温度、振动,起落驾驶状态、超声波场和加速度情况,通常需要100多个传感器,故传感器的重量要尽量轻,尺寸尽量小,因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外,实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变,嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。

3、在民用工程结构中的应用

民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等来说,通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及状况,方便进行维护和状况监测。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,还以监视结构的缺陷情况。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,并通过计算机对传感信号进行远程控制。

光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时,一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面,或在梁的表面开一个小凹槽,使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽中(便于防护)。如果需要更加完善的保护,则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋。同时,为了修正温度效应引起的应变,可使用应力和温度分开的传感臂,并在每一个梁上均安装这两个臂。

两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里-珀罗干涉仪的反射镜,形成全光纤法布里-珀罗干涉仪(FFPI),利用低相干性使干涉的相位噪声最小化,这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG,其中一个光栅用来测应变,另一个被保护起来(免受应力影响),以测量和修正温度效应,同时实现了对三个量的测量:温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点,在5me的测量范围内,实现了小于1me的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1ne/(Hz)1/2的动态应变灵敏度。

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