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光纤FBG传感器的应用

光纤布拉格光栅传感器的实际应用

在风力涡轮机中,光纤传感器不仅用于监测,还用于控制,例如根据叶片的载荷测量结果调整叶片倾角。

在许多测量机械量或温度的应用中,光纤布拉格光栅(以下简称FBG)是一个不错的选择。特别是在特殊环境条件下或需要大量传感器的情况下,FBG更能展现其优势。

光纤传感器的优点

FBG技术本质上是一种纯光学测量方法,其光信号始终不离开光纤。这带来了诸多独特优势,例如电磁抗扰性、良好的耐化学性、小巧轻便、长测量距离以及多路复用能力——这些特性是电气传感器所不具备的,或者仅在有限程度上具备。因此,FBG并非电气传感器的替代品,而是特殊测量任务中常常唯一的解决方案。

FBG的实践操作

然而,对于最终用户而言,使用“裸”的(即未针对预期应用目的预先组装的)FBG通常并不现实。 一些最重要的针对特定应用的调整包括:将传感器固定在测量对象上、对传感器区域和引线中的光纤进行机械保护、补偿交叉灵敏度(例如,区分应变和温度),以及检测无法直接测量的物理量的解决方案。

用于粘接、焊接、螺钉紧固和灌封的传感器

Polytec 提供种类繁多的即用型FBG传感器,可测量温度、应变、加速度和倾角等多种参数。这些传感器既可单独使用,也可串联(测量链)使用,不同类型的传感器之间也可进行组合。每个传感器均通过其专属波长实现唯一识别,因此可在同一测量通道上同时使用多个测量变量不同的传感器。这使得构建完整的传感器网络变得十分简便。

应变传感器

对于实验室中的应变测量,可使用一种基于聚酰亚胺的应变片,其操作方式与传统的电应变片(SG)相同。这意味着在对被测物进行表面处理后,将应变片粘贴到测量点上,从而将被测物的应变传递给嵌入其中的光纤布拉格光栅(FBG)传感器。针对恶劣的环境条件,尤其是户外环境,还提供一种碳纤维增强型应变片。 图2至图5展示了一些有趣的户外应用案例。

对于无法进行粘贴的应用场景,可选用螺纹安装式传感器,其较长的长度(10 或 100 厘米)使其能够作为整体工作。对于永久性应用(例如在混凝土构件中),还有可浇注型传感器(图 5),可在制造过程中直接集成到构件中。

为了抑制FBG中温度与应变之间的固有交叉灵敏度,可以在测量位置附近使用独立的温度传感器测量温度,从而补偿非预期的温度影响。 另一种优雅的替代方案是使用非热FBG,其中温度效应通过整个传感器的内部设计得到补偿。对于用户而言,该传感器表现为一个纯应变传感器。应变传感器的测量范围为0至4000 µm/m,分辨率为1 µm/m。

铁路轨道应变传感器的实验装置

温度测量

通过合理的封装设计,FBG 也可配置为纯温度传感器,例如通过将其无应力地安装在紧凑型封装内。为了尽可能简化与被测对象之间的热耦合和机械耦合,已开发出多种不同的封装设计。除了通用型封装外,还可以使用可焊接或可浇铸的封装。 标准传感器的温度范围为–20 °C 至 +80 °C,而高温传感器的温度范围可达 +150 °C。

安装在高压输电线上的光纤温度传感器

加速度和倾角测量

如果需要使用FBG测量此前未考虑过的其他机械量,则必须将被测量转换为光纤的应变或压缩量。这通过机械传感器来实现,从而可以利用相应的校准系数,根据布拉格光栅的波长变化推导出被测量。 例如,Polytec 公司提供可测量高达±40 G加速度的单轴加速度计。通过将三个传感器连接起来,还可以对空间三个方向进行测量。

在承重桥梁构件表面安装应变传感器

此外,还有一种倾角传感器,能够以0.01度的精度检测最大10度的倾角。这种高灵敏度也使得该传感器在安全应用领域颇具吸引力。

桥梁浇筑混凝土前的可浇注应变传感器
图片来源:除非下文另有说明,否则图片均来自FiberSensing S.A.;标题图片:maxpro/shutterstock.com

我们的作者

Dipl.-Ing. (FH) Jochen Grimm
光子学事业部战略产品营销部
info@polytec.com

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