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    解決方案:基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2013-10-10 17:16 來(lái)源:電源網(wǎng) 作者:蒲公英

    1 引言

    光纖傳感技術(shù)是繼電測(cè)技術(shù)之后傳感技術(shù)發(fā)展的新階段。相對(duì)于機(jī)電類(lèi)傳感器,光纖傳感器具有很多優(yōu)勢(shì),如:體積小、重量輕、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、靈活方便等。以光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)為主的光纖光柵傳感器,除了具有普通光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)之外,還有一些特別的優(yōu)勢(shì),最主要的是傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制以及復(fù)用能力強(qiáng)。其好處在于:測(cè)量信號(hào)不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測(cè)器老化等因素的影響;避免了干涉型光纖傳感器相位測(cè)量模糊不清等問(wèn)題;在一根光纖上串接多個(gè)布拉格光柵,把光纖嵌入(或粘于)被測(cè)結(jié)構(gòu),可同時(shí)得到幾個(gè)測(cè)量目標(biāo)的信息,并可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。廣泛應(yīng)用于對(duì)工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)以及對(duì)結(jié)構(gòu)變形、裂縫、整體性等結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)[1,2]。

    應(yīng)變是材料與結(jié)構(gòu)的重要物理特征參量。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的前提是從結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特征的參數(shù),最能反映局部結(jié)構(gòu)特征、便于結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)與損傷定位的是應(yīng)變信號(hào),所以說(shuō)應(yīng)變是重要工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最為重要的參數(shù)之一。通過(guò)國(guó)內(nèi)外同行的大量研究和實(shí)踐,已將應(yīng)變測(cè)量鎖定在光纖光柵傳感技術(shù)上[3,4]。

    本文的主要工作是給出了光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成和實(shí)施方案,并對(duì)工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了論述,提出了解決方案,并將其成功地應(yīng)用于重大工程結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中。

    2 光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    1


    圖1 光纖光柵分布傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

    圖1是光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖。系統(tǒng)中寬帶光源輸出光輸入到環(huán)行器端口1,由端口2輸出到1×8光開(kāi)關(guān),光開(kāi)關(guān)的每一路由幾個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光柵串接構(gòu)成傳感陣列。通過(guò)不同光纖光柵的反射光波長(zhǎng) …… ,與被測(cè)對(duì)象上各測(cè)量點(diǎn)相對(duì)應(yīng),分別感受各分布測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變,使其反射光的波長(zhǎng)發(fā)生改變,改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)傳出,輸入到環(huán)行器端口2,再由端口3輸出。通過(guò)光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)探測(cè)其波長(zhǎng)改變量的大小,并由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸出,最后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估。

    根據(jù)圖1的光纖光柵分布應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成,把整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施方案分為以下幾個(gè)步驟:

    1)確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布:依據(jù)具體結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)用情況,確定測(cè)量點(diǎn)位置和測(cè)量分布方式,粗略估計(jì)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變范圍,推算出整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布概況。

    2)確定各測(cè)點(diǎn)處光纖光柵的中心波長(zhǎng):根據(jù)估計(jì)的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布狀態(tài),特別是各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的最大值,將各測(cè)點(diǎn)的位置與對(duì)應(yīng)處的光纖光柵的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。在采用分布傳感方式時(shí),保證各測(cè)點(diǎn)的各點(diǎn)的波長(zhǎng)分布具有一定的間隔,間隔的大小取決于各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的最大值和應(yīng)變屬性(拉應(yīng)變還是壓應(yīng)變),避免串在一起的光柵在工作過(guò)程中波長(zhǎng)發(fā)生重疊。

    3)確定傳感器的結(jié)構(gòu)和安裝方式:根據(jù)監(jiān)測(cè)的要求和工程實(shí)際情況,選擇傳感器的結(jié)構(gòu)形式(貼片式、埋入式等)和安裝方式(粘貼還是焊接等),確定埋設(shè)和保護(hù)工藝。

    4)確定光纖光柵解調(diào)系統(tǒng):依據(jù)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變變化值的光纖光柵波長(zhǎng)的變化值 …… ,和各點(diǎn)的波長(zhǎng)分布間隔大小( ),計(jì)算出所有測(cè)點(diǎn)的波長(zhǎng)變化值和間隔值的總和,然后乘以相應(yīng)的波長(zhǎng)余額系數(shù)1.2~1.8,確定所需光纖光柵解調(diào)器的波長(zhǎng)解調(diào)范圍,并結(jié)合所需的測(cè)量精度,選定相應(yīng)的光纖光柵解調(diào)器和配套解調(diào)和數(shù)據(jù)分析軟件。

    5)確定光纖光柵傳感器靈敏度系數(shù)K:依據(jù)所選定的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)形式和安裝方式,選定靈敏度系數(shù)K值,并在解調(diào)軟件中進(jìn)行設(shè)置,測(cè)量結(jié)果直接顯示應(yīng)變值。

    6)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的分析和評(píng)估:依據(jù)結(jié)構(gòu)上各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值,進(jìn)行特定的程序運(yùn)算,確定結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變分布狀態(tài),并對(duì)極限狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。

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    應(yīng)變 光纖光柵 工程結(jié)構(gòu) 監(jiān)測(cè)

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