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怎樣配置光纖應變傳感器?僅需3步!

怎樣配置光纖應變傳感器?僅需3步!

時間:2019-03-15 14:39 來源: 作者:廣州南創 點擊:

光纖傳感器陣列的配置和安裝

布拉格光柵(FBG)技術特點之一是固有的復用能力。傳感器具有特定且不同的布拉格波長,因此可以串聯使用,只要傳感器信號不重疊,就不會影響測量值的正確讀數。

傳感器或傳感器陣列可以單獨使用,或者采用熔接機將兩根光纖連接在一起,也就是將傳感器陣列熔接在一起。熔接后,傳感器或傳感器陣列可以連接到光纖解調儀的同一個光通道,但必須注意傳感器波長的選擇、電纜長度和熔接對信號造成的功率損失等。

1. 傳感器選擇

HBM提供多種基于布拉格光柵的傳感器,在光損耗在規定范圍,波長信號不重疊的情況下,所有傳感器都可以連接到光纖解調儀的同一個光通道上。下面給出的提示適用于光纖應變測量,但可以適用于其他類型光纖傳感器。

為了選擇最合適的傳感器類型,必須考慮以下要求:

a、測量范圍

不同傳感器封裝會限制他們的測量范圍。在選擇傳感器類型時,測量范圍的要求可能是排除其他類型傳感器的因素。

b、安裝方式

HBM提供多種安裝方式的光纖傳感器,包括黏貼、焊接、嵌入或栓接等方式。安裝方式會影響安裝的速度和成本,也可能會排除其他選項。在金屬結構上安裝傳感器時,焊接是一種最快速有效的方法,因為無需等待粘合劑固化。對于復合材料,有粘合或嵌入兩種選擇。纖維復合材料通常不建議采用螺栓連接,因為鉆孔會損壞光纖,但對于混凝土或金屬結構來說,螺栓連接卻是一種很好的解決方案。

c、魯棒性

傳感器種類繁多,魯棒性不同。有些傳感器采用實驗室電纜,有些使用是室內、室外或是絕緣電纜,這些將限制傳感器的應用范圍。選擇合適的傳感器,在特定環境中就不需要進一步保護。

d、 電纜彎曲半徑和長度

HBM光纖應變傳感器分為兩個系列,兩個系列在光纖特性上有所不同。OP Line系列具有高彎曲能力,可在彎曲半徑較小的應用中使用(例如彎曲表面上)。FS Line 系列靈活性較低,但可在數公里內自由使用,且不會造成顯著的光學損失。

e、 工作溫度

應變測量可以在多種環境下進行。但對于高溫或低溫應用,只有部分光纖應變片適用。

f、溫度補償

基于FBG的應變傳感器對溫度變化敏感,建議進行校正。HBM FiberSensing為無熱化應變傳感器提供了獨特的解決方案,消除了溫度變化對FBG波長的固有影響(而不是試樣的熱膨脹)。選擇這種應變傳感器時,不需要進行溫度補償。而對于其他應變傳感器,可通過以下方式進行溫度補償,例如:

  • 在應變傳感器相同的溫度下放置溫度傳感器:在應變傳感器的相同位置上進行溫度測量,通過傳感器的熱交叉靈敏度(如數據和校準表上所述)和基材的熱膨脹,進行應變測量校正
  • 光纖補償元件:對于某些應變傳感器,可以使用專用溫度補償FBG傳感器進行溫度補償
  • 使用另外僅測量溫度引起應變的光纖應變片,用于相同的材料且相同的溫度條件下,對溫度引起的應變進行補償
  • 將相同的應變片安裝在試樣另一面,將產生應變值相同,信號不同的信號:傳感器在這種推拉結構下工作時,則可消除溫度產生的應變

陣列所需的傳感器數量應考慮上述選項。

2. 波長選擇

傳感器之間的布拉格波長距離定義了兩個傳感器的最大測量范圍,因為如果信號重疊,測量將受到影響。每個傳感器的使用波長范圍取決于其測量范圍,溫度工作范圍,以及傳感器靈敏度、傳感器交叉靈敏度和材料熱膨脹引起的熱感應波長偏移。

從傳感器的中心波長(λ0)開始,保留的波長范圍是從最小可能到最大可能值之間的波長值:

  • FS line傳感器波長間隔為6.4 nm
  • OP line傳感器波長間隔為5 nm

3. 控制光損耗

FBG傳感器測量鏈中每個光通道連接數不僅取決于所使用的連接類型,還取決于光纖解調儀、光纖類型和長度,以及安裝過程(電纜路徑、微曲率等)可能導致的光信號損失等。

a、連接器與熔接

當測量鏈中連接光纖應變傳感器時,可以使用兩種連接:連接器與熔接。連接器更容易在現場使用,然而,它們對光信號造成更高的損耗,并且隨著時間的推移更容易退化。另一方面,熔接能夠讓兩根光纖在壽命期內都保持穩定,并具有較低的光學損耗。然而,熔接需要專用工具、經過培訓的專業人員和更長的安裝時間。為了盡可能縮短安裝時間,同時增加傳感器陣列中連接的傳感器數量,HBM Fibersensing提供了預先組裝的傳感器陣列,以適應不同的應用。

b、 光纖類型和長度

HBM兩個系列光纖傳感器上使用的是不同類型的光纖:FS Line傳感器的光纖內芯是9微米,OP Line的為6微米。FS Line在數公里內不會產生大的信號衰減,適合長距離傳輸。而OP Line信號衰減較大。當兩種類型的光纖連接在一起時,即使通過熔接方式,也會在接口上產生很高的損耗,從而限制不同類型的光纖在測量鏈中使用的次數。

c、傳感器反射率

FBG傳感器的測量原理是基于入射光的反射光譜。反射回來的信號是入射光的百分比。FS Line傳感器的反射率約為65%,而 OP Line傳感器的反射率小于15%。在計算損耗時,還應考慮傳感器的反射率。

d、光纖解調儀的動態范圍

光纖測量鏈上的允許損耗由光纖解調儀的可用動態范圍決定。動態范圍可以看作是光譜的信噪比測量。受損信號一旦大于或接近動態范圍,解調儀將無法獲取。應仔細檢查傳感器, 解調儀和附件技術特性,以優化光學測量鏈性能。

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