光纤光栅传感器应用.doc

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一、光纤光栅传感器的优势
与传统的传感器对照,光纤Bragg光栅传感器拥有自己独到的优点:
传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变,适合埋入大型结构中,
可测量结构内部的应力、应变及结构伤害等,牢固性、重复性好;
与光纤之间存在天然的兼容性,易与光纤连接、低耗费、光谱特点好、可靠性高;
拥有非传导性,对被测介质影响小,又拥有抗腐化、抗电磁搅乱的特
,适合在恶劣环境中工作;
轻快娇嫩,能够在一根光纤中写入多个光栅,组成传感阵列,与波分复用和时分复用系统相结合,实现分布式传感;
测量信息是波长编码的,因此,光纤光栅传感器不受光源的光强波
动、光纤连接及耦合耗费、以及光波偏振态的变化等因素的影响,有较强的抗搅乱能力;
高矫捷度、高辩白力。
正是由于拥有这么多的优点,近来几年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结
构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域获得了广泛的应用。
光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器,特别在测量应力和
应变的场合,拥有其他一些传感器无法比较的优点,被认为是智能结构中最有
希望集成在资料内部,作为监测资料和结构的载荷,探测其伤害的传感器。
二、光纤光栅的传感觉用
1、土木及水利工程中的应用
土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。
力学参量的测量对于桥梁、矿井、地道、大坝、建筑物等的保护和健康情况
,能够预知结构局部的载荷及健
康情况.。光纤光栅传感器能够贴在结构的表面或起初埋入结构中,对结构同时进
行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监察结构的弊端情况.。
其他,多个光纤光栅传感器能够串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,能够用计算机对传感信号进行远程控制。
(1)在桥梁安全监测中的应用
当前,应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。
斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等是这些桥梁系统的要点受力构件,其他土木工程结构的预应力锚固系统,如结构加固采用的锚索、锚杆也是要点的受力构件。上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反响结构的健康情况,因此对这些构件的受力情况监测及在此基础上的安全解析评估拥有重要意义。
加拿大卡尔加里周边的BeddingtonTrail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993年),16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合资料筋上,对桥梁结构进行长远监测,而这在以前被认为是不能能。德国德累斯顿周边A4高速公路上有一座跨度72m的预应力混凝土桥,德累斯顿大学的Meis-sner等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中,测量荷载下的基本线性响应,而且用老例的应变测量仪器作了比较试验,证了然光纤光栅传感器的应用可行性。瑞士应力解析实验室和美国海军研究实验室,在瑞士洛桑周边的Vaux箱形梁高架桥的建筑过程中,使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测,32个光纤光栅分布于箱形梁的不同样地址、用扫描法-泊系统进行信号解调。
2003年6月,同济大学桥梁系史家均老师主持的卢浦大桥健康检测项目
中,采用了上海紫珊光电的光纤光栅传感器,用于检测大桥在各种情况下的应
力应变和温度变化情况。
施工情况:
整个检测项目的推行主要包括传感器布设、数据测量和数据解析三大
步。
在卢浦大桥选定的端面上布设了8个光纤光栅应变传感器和4个光纤光栅温度传感器,其中8个光纤光栅应变传感器串接为1路,4个温度传感器串接
1路,尔后经过光纤传输到桥管所,实现大桥的集中管理。
数据测量的周期依照业主的要求来确定,经过在桥面加载的方式,利
用光纤光栅传感网络解析仪,完成桥梁的动向应变测试。
(2)在混凝土梁应变监测中的应用
1989年,美国BrownUniversity的Mendez等人第一提出把光纤传感器埋入
混凝土建筑和结构中,并描述了实质应用中这一研究领域的一些基本设想。此后,美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。
在混凝土结构浇注时所碰到的一个特别棘手的问题是:如何才能在混凝土浇捣时防范损坏传感器及光缆。光纤Bragg光栅平时写于一般单模通讯光纤上,其质地脆,易断裂,为适应土木工程施工粗放性的特点,在将其作为传感器测量建筑结构应变时,应采用适合保护措施。
一种可行的方案是:在钢筋笼中部署好混凝土应变传感器的光纤线路后,将
混凝土应变传感器用铁丝等依照预定地址固定在钢筋笼中,尔后将中间段用纱布围绕并用胶带固定。而对粘贴式钢筋应变传感器一般则用外涂胶层进行保护。
2003年9月,上海紫珊光电技术有限企业自主研发的光纤光栅传感觉变计
埋设于混凝土中对北京中关村某标志性建筑进行静态应变测量。上海紫珊光电
技术有限企业自主研发的光辉光栅应变计拥有精度高(一般为1με,若是是小
量程的应变测量,)、可靠性高、安装方式多样、使用方便等
优点,成功应用于北京中关村某标志性建筑中,布设在钢梁上并埋设在混凝土
中对支柱钢梁进行施工过程监测。
埋入混凝土前
埋入混凝土后
(3)在水位遥测中的应用
在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器特地用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。传感器的精度能够到达±%F·S。光纤安装在传感器内部,由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG,并反射吻合布拉格条件的某一波长的光信号。当FBG与弹性膜片或其他设备连接在一起时,水位的变化会拉伸或压缩FBG。而且,反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。那么,依照反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。
(4)在公路健康检测中的应用
公路健康监测必要性:
交通是与人们息息有关的事情,同样也是限制城市发展的主要因素,能够说交通的利害能够直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资本用在公路修建以及保护上,其中保护花销据有了很大一部分。即即是这样,每年依旧有大量公路碰到损坏,公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和引起交通事故的一大病害。,而损坏一般都是由于汽车超载,超速以及自然原因惹起的,而且也和公路修建的质量有很大关系。因此在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是特别有必要的。此刻的公路一般分三层进行施工,分为底基层、
一般层和沥青层,在施工过程中埋入温度以及应变传感器能够实时获得温度以及
应变的变化情况,对公路质量进行实时监控。详细认识施薪资料的特点以及影响
施工质量的因素。
传感器设计方案:
由于公路施工过程中条件比较恶劣,主要问题有以下几点:
在沥青层铺设过程中温度可达160℃。
在施工过程中,每层碰到的压力达20t以上。
由于沥青层随着环境温度变化,其强度变化明显。传感器需要能真实反响沥青层应变。因此传感器在埋入过程中的成活率是最要点的问题。
第一为认识决高温的问题,传感器自己采用不锈钢资料封装,尾纤采用抗高温铠装光缆。为了使传感器在强压力下依旧能连续工作,而且和沥青层比较好的配合,能真实反响沥青层挠度,设计传感器外形的时候能够采用增加沥青层与传感器的接触面积。
H形FBGS-H沥青计
装置图与实物图以下:
圆型FBGS-O沥青计
装置图与实物图以下:
这样,在城市交通要道以及高速公路监测点埋入传感器,组建公路监测系统
,一致监控。在数据办理方面进行研究,除了能监测公路健康情况,还可实现车
流量统计,对公路上超速超载情况进行监测等功能。
2、航空航天中的应用
智能资料与结构的研究起源于20世纪80年代的航空航天领域。1979年,美国国家宇航局(NASA)开创了一项光纤机敏结构与蒙皮计划,首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合资料蒙皮中,用以监控复合资料应变与温度。
先进的复合资料抗疲倦、抗腐化性能较好,而且能够减少船体或航天器的重量,对于迅速航运或翱翔拥有重要意义,因此复合资料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。
其他,为了监测一架翱翔器的应变、温度、振动,起落驾驶状态、超声波场
和加速度情况,平时需要100多个传感器,故传感器的重量要尽量轻,尺寸尽量
小,因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。其他,实质上飞机的复合资料
中存在两个方向的应变,嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和
温度测量的理想智能元件。
美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用特别重视,他们在航
天飞机X-33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络,对航天飞机进行实
时的健康监测。X-33是一架原型机,设计用来作“国际空间站”的往返翱翔。
BlueRoadResearch结合美国海军空战中心和波音幻影工作组,使用B
IueRoadResearch生产的光纤光栅传感器对飞机的粘和接头圆满性进行了评估。
以前这种评估所常用的方法,如超声波和X射线,特别耗时而且信号难以处
理。美国海军研究实验室将光纤光栅传感器固定在飞机轻型天线反射器的不同样位
置,测量纵向应变、波折和扭矩。
3、船舶航运业中的应用
(1)船舶结构健康监测系统
美国海军实验室对光纤光栅传感技术特别重视,已开发出用于多点应力测量的光纤光栅传感技术,这些结构包括桥梁、大坝、船体甲板、太空船和飞机。在美国海军的资助下,开发有船舶结构健康监测系统,已制成用于美国海军舰队结构健康监测的低成本光纤网络,这个系统基于商用光纤光栅和通讯技术;拟采用光纤光栅传感技术和混杂空间/波分复用技术实时测量拖拽阵列的三维形状,这种技术对阵列测量的改进将高出现有阵列估计技术一个数量级,进而可增强海军的战术优势。
1999年春,美国海军研究实验室(NavalResearchLaboratory,NRL)光纤灵巧结构部的MichaelTodd等人用光纤传感系统对KNMSkjold迅速巡逻艇进行智能监测。
(FBG)


量的监测
,无电磁搅乱


监测喷水推进器的表示图:
(2)全光纤舰船传感系统
2002,2

美国海军研究中心(

NavyofficeofNavalResearch

)和海上战争
中心(NavalSurfaceWarfareCenter,CarderockDivision

)在英国皇家

RV
Triton

舰船上安装了光纤传感系统对其进行舰船结构健康监测。

SPA安装了自己
的舰船监测系统和高出50个FBG传感器安装在舰壳上,同时存在电传感器以考据它的精度和性能。这个测试系统陪同RVTriton在海上2个星期的海上航行测试,最后数据被NSWCCD和SPA解析,以指导RVTriton的工程改进。同时美国也特别有兴趣将该传感系统用在Trimaran(三舰并列)技术的发展中。

-Pack传感器,包括两
个FBG,可同时测温度和应变


各种FBG传感器的分布:
2000,6,25DavidsonInstruments宣布为美国海军开发全光纤舰船传感系
统。美国海军正在研究21世纪水面战斗舰船。这些舰船包括按DD21设计的登陆攻击驱逐舰,也包括按CG-21设计的巡洋舰。2002,7,10DavidsonInstruments已经宣布完成了该项目,其结果数据被用于舰船的制造和改进供应参照。同时这个全光纤的传感系统能够抵抗核武器的冲击波效应。
(3)驳船健康监测系统
美国海上战争中心(NavalSurfaceWarfareCenter,CarderockDivision
)对美国海军的接合标准模驳船系统JMLS进行结构监测。用4个通道共16个FBG传感器,其中14应变传感器和2个Flat-Pack传感器(包括两个FBG,可同时测量温度和应变),和SPA的舰船健康监测系统。
(4)发射系统环境监测系统
美国海上战争中心NavalSurfaceWarfareCenter,PortHuenemeDivision
正在开发自己的光纤传感测试系统以用于长远的监测以决定表面舰船垂直发射系统(VLS)和导弹发射的操作环境。由于导弹等发射物的健康情况会碰到震动冲击,高热和湿度的影星,必定对其进行如期的检测。在这个测试系统中,测量的物理量包括温度,应变,压力,加速度和湿度。