张工聊光纤 | 基于光纤光栅的光学测量链的优势

HBM测试与测量 2022年11月16日浏览：1338

张工说

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本文旨在帮助系统集成商和工程师为 多物理量光学监测解决方案 选择正确的组件。这一点至关重要，因为所有的主要结构都暴露在导致应变和退化的因素之下，例如桥梁、建筑、管道和隧道。如未能可靠、准确地监测应变、温度和其他物理参数，可能就无法发现故障和结构问题，从而导致灾难。

在下文中，我们将为您介绍基于光纤光栅技术在结构健康监测中，所具备的优势。

结构健康监测 - 预防故障，而非修复损坏

对于大型且造价高昂的结构，如隧道、桥梁和管道，需要对其结构完整性进行定期、具有成本效益的监测。这样可以确保安全性和可靠性。

结构健康监测（SHM）在这里发挥了关键作用，因为它采取主动的维护和监测方法，而不是等发生损坏后再去修复。这种主动的方法可以节省资金并防止结构的意外故障。

但是，由于成本、不知道使用哪种传感器和难以解释应变数据等原因，在主要基础设施中安装可靠和准确的SHM需求往往被忽略。一旦发生应变引起的结构损伤，这就会成为一个问题。而且这种情况确实经常发生，因为民用基础设施暴露在持续的负载和环境因素中，随着时间的推移，会造成磨损和退化。

例如，由于交通需求的不断增加，以及气候变化和恶劣的天气条件，桥梁的结构发生退化。不良的施工方法、地震活动和附近的建筑物也会造成一定的影响。而没有持续的监测，就无法发现或预测故障和结构问题，从而导致灾难发生。事实上，在美国，要求每两年对每座桥进行一次目视检查，以防止此类结构问题的出现。

但根据美国土木工程师协会（ASCE）2017年《基础设施报告卡》可知，美国有近10%的桥梁存在某种结构问题，使桥梁变得很脆弱。而在加拿大的大约75000座公路桥梁中，几乎有三分之一都存在结构性缺陷。如果不能发现和处理这些结构性缺陷，可能会导致高额的维护成本、关停当地的基础设施，最糟糕的情况下甚至会发生结构坍塌和死亡事件。因此，有助于方便且经济地监测基础设施磨损的技术具有巨大的市场。

传统的电阻式应变传感器

自 20世纪40年代以来，电阻式应变片一直是结构应变监测的基准。但是，电阻式应变片会有一定的限制，有时会阻碍简单可靠的测量。

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例如， 所需电缆的数量 可能会是一个挑战。因为长电缆的成本很高，并且在有许多测量点的大型结构中使用大量的长电缆会较难管理，尽管存在测量距离达几百米的电应变技术解决方案。

创新型的光纤光栅技术

基于光纤光栅（FBG）技术的光学传感器，为传统电学测量链提供了一个颇具吸引力的替代方案，是一种创新型结构健康监测解决方案。

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这是因为FBG技术具备一些优势，比如在 一根光纤中安装多个传感器 ，整体轻量化无源设计，以及低衰减——支持长距离安装。同时，这种技术不受电磁干扰（EMI）的影响，而且传感器比电阻应变片更具有环境稳定性（因此其可以承受恶劣的环境条件）。当涉及到中高通道数和总拥有成本时，其价格也具有竞争力。

基于FBG的传感器的优势

不受电磁噪声干扰（EMI）的影响
低衰减，可长距离安装
在同一条线上可以有几个传感器。这就削减了线缆的长度和复杂性，也简化了安装过程，性价比更高
可以承受恶劣的条件，最大限度地减少对复杂或昂贵的保护方案的需求
长期的信号稳定性（无漂移），具有绝对零基准（即使在时间上分散，也能进行相关的测量）

FBG技术应用领域

它很容易与供应商的软件一起使用，而且还可以集成到任何个人电脑中，久而久之，FBG技术获得了很大的市场份额。它现在被广泛用于传感应用中。

例如，它被用于土木工程的各种健康监测应用，包括公路和铁路基础设施，也包括地质结构、石油和天然气、海洋工业的船体监测、航空航天结构和汽车温度验证。

FBG的更多优势

在一根光纤中复用许多甚至是不同的传感器。然后，所有的传感器都有不同的波长，减少了传感网络所需的布线量。
即使在高振动负荷下也具有长期信号稳定性和系统耐久性。公路和桥梁上交通需求的日益增加会导致结构磨损，而传感器在这里不太可能失效。
距离和电缆长度对测量精度的影响微乎其微。由于FBG传感器经历了低衰减，数据总是可靠的。而且，即使数据采集系统离最远的传感器有几公里远，数据同样是可靠的。
与铜芯电缆相比，光纤更细、更轻。
如上所述，FBG技术完全不受电磁干扰（EMI）或射频干扰（RFI）的影响，这使得传感器可以安装在铁路高架线和受电弓等安全关键部件附近。
这些FBG传感器还可以在高爆炸性的环境和其他恶劣条件下使用。

下期，我们还将向您展示如何轻松设计一个典型的基于光纤光栅的测量链。

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