光学应变传感器 Optical strain sensors

2022-11-03 13:49:42 浏览:237

定义

基于光学技术的机械应变传感器,例如带光纤布拉格光栅的传感器。

光学应变传感器(或应变片)是基于光学技术的压缩和/或拉伸机械应变(变形)传感器,在大多数情况下,基于光纤。 它们可以基于不同的操作原理,如下所述。

请注意,机械应变是由机械力引起的。 因此,应变传感还可以提供有关机械力或压力的信息。

有替代技术,例如机械和电子应变传感器。 然而,光学应变传感器可以提供重要的优势。 例如,它们可以在非常宽的温度范围内工作,对电磁干扰不敏感,并且不需要电缆(这对于需要使用绝缘材料的某些高压应用很重要)。 它们也适用于高带宽的动态测量。 请参阅下面关于光学应变传感器应用的段落。

光学应变传感器的工作原理

基于光纤布拉格光栅的点传感器

许多用于测量应变的光纤传感器都基于光纤布拉格光栅(FBG)。 工作原理基本上基于施加到这种光栅上的应变会影响光栅周期,从而影响布拉格波长,即峰值反射率的波长。 应变ε的变化和温度变化ΔT引起的布拉格波长变化为[2]

除了应变的纯几何效应(传感器的伸长率,增加光栅周期)之外,还有折射率变化的影响,这取决于应力-光学张量的Pockels系数和泊松比ν。 从本质上讲,应变降低了折射率,这在一定程度上降低了光栅周期增加的影响。 对于二氧化硅纤维,这一减少量约为22%。

使用光电解调仪,将光发送到光栅传感器并分析反射光以确定应变量。 例如,外腔二极管激光器适合作为光源。

为了测量机械部件的应变,例如在建筑物中,需要将基于FBG的传感器连接到部件上,使其暴露于相同数量的应变。 一些表面应变传感器粘在平坦或有些弯曲的表面上。 在其他情况下,人们使用其他方法来连接传感器,例如点焊,拧紧或将传感器的部件嵌入混凝土结构中。

如何区分温度和应变效应?

一个挑战是这种光栅的布拉格波长对温度变化也很敏感。 对于二氧化硅纤维,温度变化1 K大致相当于应变变化10με。 温度补偿有不同的方法:

  • 可以使用暴露于相同温度但不暴露于机械应变的第二格栅。
  • 在某些情况下,可以应用推挽配置的替代技术,其中一个光栅被拉伸时被压缩。 然后,两个布拉格波长之间的差异对应变有反应,但对温度没有反应。
  • 可以使用额外的温度传感器测量温度,并使用已知的光栅温度系数校正应变测量值。
  • 可以使用两种非常不同的询问波长(例如在0.8μm和1.5μm区域),导致应变和温度响应的比率不同。

另一方面,通过光波长对应变进行编码使得此类传感器对其他参数不敏感,例如沿光纤的光功率损耗或询问器的输出功率。

对于某些应用,应变和温度都是测量量。

光学应变传感器可以具有较大的动态范围。

基于FBG的应变传感器的分辨率可以优于1με(即相对长度变化小于10−6),并且精度可能不会低很多。 例如,可以测量由1K或更小的温度变化引起的热膨胀。 同时,允许的测量范围可以是±20.000με = ±2%。 因此,动态范围可以超过40 dB。

对于高带宽的动态应变传感(例如,用于研究声学现象),可以使用更快的检测方案,例如使用不平衡的马赫-曾德尔光纤干涉仪,它将波长变化转换为光功率的变化。 在 1 Hz 带宽下,灵敏度可远优于 1 nε。

准分布式传感器

准分布式传感器可以以经济的方式实现。

基于FBG的传感器技术的一个非常吸引人的特点是,可以在长光纤中制造具有许多此类光栅的准分布式传感器,并使用单个解调仪,该解调仪可以通过某种多路复用来解决所有不同的光栅。 来自不同光栅的信号可以用不同的方式区分:

  • 解调仪可以发出光脉冲(例如纳秒或皮秒持续时间)并监控信号的到达时间(时分复用,TDM),由于光栅之间的光纤传播时间延迟,光栅的到达时间不同。
  • 或者,不同的光栅可以具有不同的布拉格波长,因此可以通过将询问激光器调整到其波长(波分复用,WDM)来解决每个光栅。 除了激光,还可以将宽带光源(例如超发光二极管)与某种光谱仪结合使用,例如与可调谐法布里-佩罗滤光片或基于衍射光栅和CCD传感器阵列的设备结合使用。

还可以将这两种技术结合起来,实现包含更多点传感器(可能超过100个)的WDM/TDM系统。

与使用许多独立传感器相比,这种多点传感器的成本可以低得多,因为传感器和电缆的安装得到了简化,可以使用单个解调仪。

干涉光纤布拉格光栅传感器

在某些情况下,人们使用一对布拉格光栅形成法布里-佩罗干涉仪,其中通过共振频率的偏移来测量光栅之间光纤中的应变。 当使用具有不同布拉格波长的光栅时,可以再次在一根光纤中使用这种类型的多个传感器。 或者,可以测量长纤维中的平均应变。

一种更精细的适用于动态传感(例如振动)的方法是光纤段干涉测量[9],其中可以独立测量与多个光纤段相关的光学相移,由相同的弱反射光纤布拉格光栅隔开。 一种使用正弦光频率调制,这可以通过单频半导体激光管的电流调制轻松实现[8]。 信号处理可以通过现场可编程门阵列(FPGA)完成。 有关激光源和电子设备的硬件要求适中。

基于微法布里-佩罗的传感器

可以构建小型法布里-佩罗干涉仪,其中小镜距(例如50μm)受要测量的应变的影响。 因此,峰值透射波长将指示施加的应变。 代替透射,可以监测共振中的反射率下降。 探头灯端反射光可以通过单模光纤发送,以获得最大的便利性。 由于光纤仅用于传输光,而不用于实际传感器,因此该技术称为外在光纤传感器 - 与光纤本身充当传感器的固有传感器相反。

Micro-Fabry-Pérots可以以不同的方式生产,例如通过某些机械部件(例如微管)在两个光纤末端之间保持气隙,或者通过使用两个反射的熔接,例如通过在光纤末端施加介电涂层。

Micro-Fabry-Pérot传感器可以在比基于FBG的传感器更高的温度下工作,其中可能会发生光栅退火。 它们还可以提供非常高的应变分辨率。 另一方面,在一根光纤中使用多个这种类型的传感器并不容易。

基于瑞利散射的分布式应变传感器

分布式光纤应变传感器可以用普通的单模光纤实现,不包含光纤布拉格光栅等任何特殊结构。 在许多情况下,人们使用在1.5μm光谱区域内运行的电信光纤。

一种可能性是利用光纤中的瑞利散射。 这是由于光纤的微观变化引起的线性散射,主要是折射率的波动。 与采用非线性散射的其他技术(见下文)相比,人们可以获得更强的信号并且可以实现高空间分辨率(例如几毫米)。

背散射光可以用干涉技术进行分析。 本质上,一种将光纤的反射光与来自发送光的其他光叠加。 如果反射仅在光纤中的特定位置发生,则干涉仪输出将随探针光的光学频率近似周期性地变化。 振荡的速度取决于反射的位置。 通过应用傅里叶变换,可以将干涉仪信号分解为不同位置反射的贡献。 这也可以通过基于随机分布位置的瑞利散射的反射来完成。 当被测光纤应变时,获得的信号模式会移动,这可以用合适的软件进行检测。

该技术特别适用于监测具有高空间分辨率但仅限于有限长度(例如几十米)的应变。

基于布里渊散射的分布式应变传感器

对于较长光纤中的应变传感,通常使用基于自发或受激发布里渊散射的技术。 例如,皮秒光脉冲从一个方向发送到光纤中,并且通过光学外差检测分析由于自发布里渊散射引起的相当弱的反射分量。 布里渊频移取决于应变和温度,而空间分辨率可以通过时间延迟获得。

使用基于受激布里渊散射的技术可以实现更高的灵敏度,称为布里渊光学时间延迟分析(BOTDA)。 在这里,使用额外的弱连续波探头光束,其传播方向与皮秒脉冲相反。 它的光学频率选择略低于脉冲频率。 然后将探头光束放大到脉冲和探头光束之间的光学频率差与局部布里渊位移(取决于应变和温度)重合的位置。 (或者,当探头光束的频率高于脉冲频率时,可以获得探头光束的非线性损耗。 这种测量是用可变的光学频率差进行的,通过结合这些数据,可以有效地获得布里渊频率与位置的映射。

这种技术的空间分辨率不如使用瑞利散射时高。 另一方面,人们可以将它们与更长的纤维结合使用 - 通常长度超过10公里。 因此,它们特别适用于管道监控等应用。

另一个需要分离应变和温度影响的技术。 如上所述,类似的想法可以应用于光纤光栅传感器的上下文中;例如,可以使用两根光纤,两者都暴露在相同的温度下,而一根光纤也感应应变,另一根纤维保持松散。

光学应变传感器的应用

光学应变传感器的典型应用是监测技术基础设施,如桥梁、隧道、矿山、建筑物、石油和天然气管道、输电线路、工业加工厂、飞机和风能转换器叶片。 结构健康监测有助于提高安全性,并可能使传统的监测方法过时,从而节省成本。 使用长光纤进行分布式传感的能力通常也非常重要。 有时,人们可以从同时测量温度中受益。

应变传感器在技术开发过程中也非常有用,例如在疲劳测试中,零件在受控条件下承受高水平的应变。 此类测试对于保证正常运行条件下的可靠性至关重要。

参考文献

[1] A. D. Kersey, “A review on recent developments in fiber optic sensor technology”, Opt. Fiber Technol. 2, 291 (1996), doi:10.1006/ofte.1996.0036
[2] A. D. Kersey et al., “Fiber grating sensors”, IEEE J. Lightwave Technol. 15 (8), 1442 (1997), doi:10.1109/50.618377
[3] Y. J. Rao, “Recent progress in applications of in-fibre Bragg grating sensors”, Optics and Lasers in Engineering 31, 297 (1999), doi:10.1016/S0143-8166(99)00025-1
[4] B. Lee, “Review of the present status of optical fiber sensors”, Opt. Fiber Technol. 9 (2), 57 (2003), doi:10.1016/S1068-5200(02)00527-8
[5] F. M. Cox et al., “Opening up optical fibres”, Opt. Express 15 (19), 11843 (2007), doi:10.1364/OE.15.011843
[6] O. Franzão et al., “Optical sensing with photonic crystal fibers”, Laser & Photon. Rev. 2 (6), 449 (2008), doi:10.1002/lpor.200810034
[7] J. Urricelqui, M. Sagues and A. Loayssa, “Brillouin optical time-domain analysis sensor assisted by Brillouin distributed amplification of pump pulses”, Opt. Express 23 (23), 30448 (2015), doi:10.1364/OE.23.030448
[8] T. Kissinger et al., “Range-resolved interferometric signal processing using sinusoidal optical frequency modulation”, Opt. Express 23 (7), 9415 (2015), doi:10.1364/OE.23.009415
[9] T. Kissinger et al., “Fiber segment interferometry for dynamic strain measurements”, J. Lightwave Technol. 34 (19), 4620 (2016), doi:10.1109/JLT.2016.2530940

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/1766

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交