光纖布拉格光柵的點式光纖傳感器
光學(xué)應(yīng)變傳感器（或應(yīng)變儀）是用于壓縮和/或拉伸機(jī)械應(yīng)變（變形）的傳感器，這些傳感器基于光學(xué)技術(shù)-在大多數(shù)情況下基于光纖。它們可以基于不同的操作原理，如下所述。
注意，機(jī)械應(yīng)變是由機(jī)械力引起的。因此，應(yīng)變傳感還可以提供有關(guān)機(jī)械力或壓力的信息。
存在替代技術(shù)，例如機(jī)械和電子應(yīng)變傳感器。但是，光學(xué)應(yīng)變傳感器可以提供重要的優(yōu)勢。例如，它們可以在很寬的溫度范圍內(nèi)運行，對電磁干擾不敏感，并且它們不需要電纜（這對于某些需要使用絕緣材料的高壓應(yīng)用很重要）。它們也適用于高帶寬的動態(tài)測量。參見下面有關(guān)光學(xué)應(yīng)變傳感器應(yīng)用的段落。
光學(xué)應(yīng)變傳感器的工作原理
基于光纖布拉格光柵的點式光纖傳感器
許多用于測量應(yīng)變的光纖傳感器都是基于光纖布拉格光柵（FBG）。該操作原理主要基于以下事實：施加到這種光柵上的應(yīng)變會影響光柵周期，從而影響布拉格波長，即峰值反射率的波長。所引起的應(yīng)變的變化的布拉格波長的變化ε和溫度變化Δ??是[2]：
除了應(yīng)變的純粹幾何效應(yīng)（傳感器的伸長，增加光柵周期）外，還有一種折射率變化引起的效應(yīng)，它取決于應(yīng)力光張量的普克爾斯系數(shù)和泊松比ν。本質(zhì)上，應(yīng)變減小了折射率，并且在某種程度上減小了增加的光柵周期的影響。對于二氧化硅纖維，減少量約等于22％。
使用光電查詢器，該光電查詢器將光發(fā)送到光柵傳感器并分析反射光以確定應(yīng)變量。例如，外腔二極管激光器適合作為光源。
為了測量機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)變，例如在建筑物中，需要將基于FBG的傳感器連接到該構(gòu)件，以使其受到相同的應(yīng)變。一些表面應(yīng)變傳感器粘在平坦或有些彎曲的表面上。在其他情況下，可以使用其他連接傳感器的方法，例如點焊，擰緊或通過將傳感器的零件嵌入混凝土結(jié)構(gòu)中。
一個挑戰(zhàn)是這種光柵的布拉格波長也對溫度變化敏感。對于二氧化硅纖維，溫度變化1 K大致對應(yīng)于應(yīng)變變化10με。有多種溫度補償方法：
- 一個人可以使用第二個光柵，該光柵暴露在相同的溫度下，但沒有受到機(jī)械應(yīng)變。
- 在某些情況下，可以采用推挽配置的另一種技術(shù)，其中一個光柵在另一光柵被拉伸時被壓縮。然后，兩個布拉格波長之間的差異會對應(yīng)變產(chǎn)生反應(yīng)，而對溫度沒有反應(yīng)。
- 可以使用附加的溫度傳感器測量溫度，并使用已知的光柵溫度系數(shù)校正應(yīng)變測量值。
- 一個人可能使用兩種非常不同的詢問波長（例如在0.8-μm和1.5-μm區(qū)域），從而導(dǎo)致應(yīng)變和溫度響應(yīng)的比率不同。
另一方面，通過光波長的應(yīng)變編碼使得這種傳感器對其他參數(shù)不敏感，例如沿著光纖的光功率損失或詢問器的輸出功率。
對于某些應(yīng)用，應(yīng)變和溫度都是測量值。
基于FBG的應(yīng)變傳感器的分辨率可以優(yōu)于1με（即，相對長度變化小于10?-6），并且精度可能不會低很多。例如，可以測量由1 K或更小的溫度變化引起的熱膨脹。同時，允許的測量范圍可以是±20.000με=±2％。動態(tài)范圍因此可以大于40 dB。
對于具有高帶寬的動態(tài)應(yīng)變傳感（例如，用于研究聲學(xué)現(xiàn)象），可以使用更快的檢測方案，例如，使用不平衡的馬赫曾德爾光纖干涉儀，它將波長變化轉(zhuǎn)換為光功率的變化。在1 Hz的帶寬內(nèi)，靈敏度可大大優(yōu)于1nε。
準(zhǔn)分布式傳感器
基于FBG的傳感器技術(shù)的一個非常吸引人的特征是，可以在一根長光纖中制造帶有許多這樣的光柵的準(zhǔn)分布式傳感器，并使用單個詢問器，該詢問器可以通過某種復(fù)用來處理所有不同的光柵。來自不同光柵的信號可以通過不同的方式進(jìn)行區(qū)分：
- 詢問器可以發(fā)出光脈沖（例如，具有納秒或皮秒的持續(xù)時間）并監(jiān)視信號的到達(dá)時間（時分多路復(fù)用，TDM），由于光柵之間的光纖傳播時間延遲，信號的到達(dá)時間不同。
- 替代地，不同的光柵可以具有不同的布拉格波長，從而可以通過將詢問激光器調(diào)諧到其波長來對每個光柵進(jìn)行尋址（波分復(fù)用，WDM）。除了激光器以外，還可以將寬帶光源（例如，超發(fā)光二極管）與某種光譜儀結(jié)合使用，例如與可調(diào)Fabry-Pérot濾波器或基于衍射光柵和CCD傳感器陣列的設(shè)備結(jié)合使用。
還可以結(jié)合兩種技術(shù)來實現(xiàn)包含更多點傳感器（可能超過100個）的WDM / TDM系統(tǒng)。
與使用許多獨立傳感器相比，這種多點傳感器的成本可以低得多，因為簡化了傳感器和電纜的安裝，并且可以使用單個詢問器。
干涉式光纖布拉格光柵傳感器
在某些情況下，人們使用一對構(gòu)成法布里-珀羅干涉儀的布拉格光柵，其中一個通過諧振頻率的偏移來測量光柵之間的光纖應(yīng)變。當(dāng)使用具有不同布拉格波長的光柵時，可以在一根光纖中再次使用該類型的多個傳感器?；蛘?，可以測量一根長纖維的平均應(yīng)變。
基于微法布里-珀羅茲的傳感器
可以構(gòu)造小型Fabry-Pérot干涉儀，其中小的反射鏡距離（例如50μm）受待測應(yīng)變的影響。因此，峰值透射波長將指示施加的應(yīng)變。代替?zhèn)鬏?，可以監(jiān)視共振中反射率的下降。探測光結(jié)束后，反射光可以通過單模光纖傳輸，以提供最大的便利。由于光纖僅用于傳輸光，而不用于實際的傳感器，因此該技術(shù)稱為非本征光纖傳感器，這與光纖本身充當(dāng)傳感器的固有傳感器相反。
Micro-Fabry–Pérot可以通過不同的方式生產(chǎn)，例如，通過在兩個光纖末端之間保持一定的機(jī)械部件（例如微管）之間的氣隙，或使用兩個具有反射性的熔接頭，例如在絕緣膜上涂覆電介質(zhì)涂層。光纖末端。
可以使Micro-Fabry–Pérot傳感器在比基于FBG的傳感器（可能會發(fā)生光柵退火）的更高溫度下工作。它們還可以提供非常高的應(yīng)變分辨率。另一方面，在單個光纖中不容易使用該類型的多個傳感器。
基于瑞利散射的分布式應(yīng)變傳感器
分布式光纖應(yīng)變傳感器可以用普通的單模光纖實現(xiàn)，不包含任何特殊結(jié)構(gòu)，例如光纖布拉格光柵。在許多情況下，人們使用在1.5微米光譜范圍內(nèi)運行的電信光纖。
一種可能性是利用光纖中的瑞利散射。這是線性散射，這是由于光纖中的微觀變化所致，主要是折射率的波動。與采用非線性散射的其他技術(shù)（請參閱下文）相比，該技術(shù)可獲得更強(qiáng)的信號，并且可以獲得較高的空間分辨率（例如幾毫米）。
可以使用干涉技術(shù)來分析背向散射光。本質(zhì)上，一個是將來自光纖的反射光與其他來自發(fā)出光的光疊加在一起。如果僅在光纖中的特定位置發(fā)生反射，則干涉儀的輸出將大約隨光頻率周期性變化探照燈?振蕩的速度取決于反射的位置。通過應(yīng)用傅立葉變換，可以將干涉儀信號分解為來自不同位置的反射的貢獻(xiàn)。這也可以通過基于隨機(jī)分布位置處的瑞利散射的反射來完成。當(dāng)被測光纖拉緊時，獲得的信號模式會移動，可以使用合適的軟件進(jìn)行檢測。
該技術(shù)特別適合于以高空間分辨率但僅在有限的長度（例如幾十米）上監(jiān)視應(yīng)變。
基于布里淵散射的分布式應(yīng)變傳感器
對于較長纖維的應(yīng)變傳感，通常使用基于自發(fā)或受激布里淵散射的技術(shù)。例如，皮秒光脈沖從一個方向發(fā)送到光纖中，并且通過光學(xué)外差檢測分析了由于自發(fā)布里淵散射引起的相當(dāng)弱的反射分量。布里淵頻移取決于應(yīng)變和溫度，而空間分辨率可以通過時間延遲獲得。
可以使用基于受激布里淵散射的技術(shù)（稱為布里淵光學(xué)時延分析）來實現(xiàn)更高的靈敏度。（BOTDA）。在此，使用了一個附加的弱連續(xù)波探測光束，該探測光束在與皮秒脈沖相反的方向上傳播。選擇其光頻率略低于脈沖頻率。然后，在脈沖和探測光束之間的光頻差與局部布里淵位移（取決于應(yīng)變和溫度）一致的位置處放大探測光束。（或者，當(dāng)探測光束的頻率高于脈沖頻率時，可以獲得非線性損失。）以可變的光學(xué)頻率差進(jìn)行這種測量，并且通過組合這些數(shù)據(jù)，可以有效地獲得布里淵圖。頻率與位置
這種技術(shù)的空間分辨率不如使用瑞利散射時高。另一方面，可以將它們與更長的纖維結(jié)合使用-長度通常超過10公里。因此，它們特別適用于例如管道監(jiān)控之類的應(yīng)用。
再次需要用于分離應(yīng)變和溫度影響的技術(shù)。如上文在光纖光柵傳感器的背景下討論的，可以應(yīng)用類似的思想。例如，一根纖維可以使用兩根暴露在相同溫度下的纖維，而一根纖維也可以感知應(yīng)變，而另一根纖維則保持松弛。
光學(xué)應(yīng)變傳感器的應(yīng)用
光學(xué)應(yīng)變傳感器的典型應(yīng)用是監(jiān)視技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，例如橋梁，隧道，礦山，建筑物，石油和天然氣管道，輸電線路，工業(yè)加工廠，飛機(jī)和風(fēng)能轉(zhuǎn)換器的葉片。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以提高安全性，并使傳統(tǒng)的監(jiān)測方法過時，從而節(jié)省了成本。用長光纖進(jìn)行分布式傳感的能力通常也很重要。有時，人們從同時測量溫度中獲利。
應(yīng)變傳感器在技術(shù)開發(fā)過程中也非常有用，例如在疲勞測試中，在受控條件下零件要承受高水平的應(yīng)變。此類測試對于保證正常運行條件下的可靠性至關(guān)重要。
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