光纖應變傳感器的原理和特點

固有光纖應變傳感器，其中光纖本身就是傳感器。其他類型的光纖傳感器使用光纖本身來傳輸光，而不是進行測量。

光纖通常由玻璃纖維或石英纖維和塑料涂層組成。它很像普通的電信光纖，最長可達幾公里，沿其長度有許多測量點。光纖本身由兩層組成：纖芯和較低密度的包層。將塑料涂層包裹在石英纖維周圍以進行保護。

那么，纖芯和包層之間的密度差異為何如此重要？激光用于使光通過光纖。兩種不同的纖維材料密度會形成一個屏障，將光引導到纖維內部，從而不會散射。為使此工作有效，光纖不能彎曲的太嚴重。它很靈活，不會破裂，但是光線可能會在彎道處逸出。

光纖作為傳感器

為了創建實際的應變傳感器，在生產過程中用所謂的光纖布拉格光柵（FBG）內接光纖。這基本上是材料干涉的一種模式，它與光纖其余部分的反射方式不同。為了更好地理解，您可以將光纖可視化為圓柱狀的透明材料，其中包含許多薄片。當激光發出的光照射到該圖案時，某些波長會被反射，而其他波長則會通過。

重大干擾（“切片”）以一定間隔放置。當光纖被拉伸或壓縮時（因此受到正應變或負應變），這些間隔會改變。拉伸光纖時，光纖會伸長，空間會變大，反之亦然。

當FBG處于應變狀態時，反射的光不僅需要更長或更短的時間才能傳播回來，而且反射的波長也會發生變化。用科學術語來說，FBG具有一定的折射率。材料的折射率描述了穿過材料時多少光被彎曲或折射。當光柵由于應變而改變形狀時，其折射率也改變。

一個光纖布拉格光柵的整體長度約為5毫米，盡管肉眼無法看到單獨的材料干涉，只有在顯微鏡下才能看到。”?許多光纖布拉格光柵可以刻在一根長光纖中，每根光纖光柵都可以作為單獨的應變傳感器使用。

當將光纖施加到一種材料上時，它將與這種材料一起被拉緊。所測量的應變繼而將允許分析材料中的機械應力，這是大多數應變測量的目的。

舉一個實際的例子，當將纖維施加到長隧道的壁上時，當壁的材料中存在應力時，纖維會拉緊。例如，這可能是由于火車駛過而引起的振動。多年來，當墻面沉降或什至出現薄弱點或裂縫時，從有關應變的信息以及傳感器所獲得的機械應力的信息中就可以看出這一點，這是需要維護的有用早期指示。

為了進行測量，需要將光纖連接到所謂的詢問器。它連續發出不同波長的光，一次發出一個，從而涵蓋了廣譜。這稱為“掃頻激光器”。光傳播通過光纖，在某些時候被FBG反射并返回到詢問器。

由于各個FBG的周期不同，因此可以區分不同傳感器的信號。其余的光到達光纖末端時會折射，以免干擾測量。可以從FBG返回的原始光信號中推斷出實際應變以及材料應力。

基于光纖布拉格光柵的光纖傳感器極易受溫度影響。顯然，纖維與其他任何材料一樣，在溫度升高時會膨脹，而在溫度降低時會收縮。折射率也改變。沒有補償，這將導致應變的測量不是由材料應力引起的，而是由溫度變化引起的。有幾種補償技術，包括：

• 在光纖應變傳感器旁邊安裝光纖溫度傳感器；通過比較數據并減去溫度影響，可以進行數學補償。
• 將兩個FBG置于推挽式配置中，以便在承受壓力時將其中一個壓縮，而將另一個拉伸。兩者的溫度效應是相同的（例如延長），但是機械應力的影響卻不同：對于一個FBG，應變在牽引下是“正”的，而對于另一個FBG，應變是“負”的，因為它被壓縮了。因此，數學補償成為可能。
• 將光纖封裝在機械設備中，該機械設備在與被測材料相反的方向上膨脹，從而使施加到FBG的應力消除了溫度影響，并且不需要進行數學補償。

光纖傳感器的應用
“作為光纖測溫項目的一部分，我們的傳感器需要在強烈的電磁場下，應對大約-40°C至300°C的巨大溫度范圍的光學應變傳感器應用之一。

例如，在結構健康或基礎結構監視中，可以發現較少使用的應用程序。由于單根光纖可以容納數百個傳感器，因此與傳統的應變儀相比，光纜技術和安裝成本更低，因此光學技術可為大型項目（例如隧道或管道監控）提供支持。

此外，光學測量技術是所有需要解決傳統應變儀所需電力問題的應用的首選，包括具有大量電磁干擾（如太空）或極易爆炸的環境（如煉油廠）的環境，在電應變計不起作用的地方，光學應變計可能會起作用。