光纖光柵感測方式的特徵及優點論文
光纖光柵感測方式的特徵及優點論文
1.引言
在對港口機械裝置結構應力狀態的監測中，主要有基於電阻應變電測技術的監測方法和基於光纖光柵感測技術的監測方法，其配套裝置、資料採集原理、系統框架都存在巨大的差異。
2.電測式監測系統基本構成
應變電測法的測量系統通常由應變片、應變儀、記錄儀及計算分析裝置等部分組成。它的基本原理是:將應變片按構件的受力狀況，合理的固定在被測構件表面，當構件受力變形時，應變片的電阻值就發生相應的變化。透過電阻應變儀將這種電阻值的變化測量出來，並換算成應變值或輸出與應變成正比的模擬電訊號(電流或電壓)，用記錄儀器記錄此電訊號，再作分析與處理。也可用分析裝置或計算機按預定的要求直接接受模擬電訊號並進行資料處理，從而得到應力、應變值或其他物理量。基於電阻應變電測技術的港機金屬結構遠端線上監測系統基本框架圖描述如下：
3.光纖光柵式監測系統的基本構成
光纖光柵式結構監測系統的裝置通常包括以下幾類:①光纖光柵應變感測器;②資料接收器;③光纖光柵解調器;④工控機(資料分析系統);⑤無線區域網+遠端主機等(如果需要實現遠端監測，則還需要在採集器中整合資料遠端傳輸模組)。綜合看來，基於光纖光柵感測技術的港機金屬監測方法系統一般框架圖可以描述如下:此係統中，光纖光柵感測器直接埋入或貼上在結構的表面，以進行結構狀態的線上全程訊號採集(其中包括用於結構關鍵部位健康狀感測器和用於結構損傷診斷的感測器)，在結構上合理佈置的。再用多種複雜技術(時分，頻分和波分)對光訊號進行直接傳輸。從重大工程結構上採集後的光訊號，透過遠端傳輸光纖網路，傳輸到健康監測和損傷診斷中心。同時，可以在中心對資料採集方式進行遠端調控。
4.兩種方式的比較
4．1感測原理比較
①電阻應變測試技術。電阻應變測試技術，它是採用電阻應變計(又稱電阻應變片)作為感測元件將構件表面應變轉化為電阻變化，然後用電阻應變儀把電阻變化轉換成電壓或電流變化，經放大並測量這種變化再用其他儀器記錄，由所測應變換算出應力。應變片測量應變的工作原理是基於金屬絲的電阻隨其機械形變而變化的一種特性。令金屬絲的'長度為L，直徑為D，截面積為A，電阻率為，則金屬絲的電阻為:K與兩個因數有關，一個是電阻絲材料的泊松比，由電阻絲幾何尺寸改變引起，當選定材料後，泊松比為常數;另一個是電阻絲髮生單位應變引起的電阻率的改變，對大多數電阻絲而言也是一個常量。因此可以認為是一個常數。由此可見，應變片的電阻變化率與應變值呈線性關係。②光纖光柵感測技術。如圖3所示，當一束寬光譜光λ，經過光纖Bragg光柵時，被光柵反射回一單色光λB，相當於一個窄帶的反射鏡。反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化週期Λ和纖芯有效折射率neff有關。光纖光柵的感測與原理如圖4所示。光纖光柵的反射或透射波長主要取決於光柵週期改變數ΔΛ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個引數發生改變的物理過程都將引起光柵波長的漂移，具體的關係式如下:由於光柵無論是拉伸還是壓縮，均會導致光柵週期發生變化。此外，光纖本身具有的彈光效應決定了它的有效折射率neff必定隨外界應力狀態的變化而變化，因此應力應變是所有反映光柵波長漂移的最直接外界因素，這就是光纖光柵材料可以製作成光纖應變感測器並檢測應力應變特性等基本物理參量的重要原因。試驗證明，採用光纖光柵溫度補償感測器可以克服溫度對應變測量的影響。
4.2感測器的效能比較
①干擾問題。電阻式感測器響應輸出的電訊號易受環境因素(如溫度、溼度、電磁干擾等)的影響，進而導致感測的準確度、靈敏度、永續性的降低。光纖光柵感測器的測量資訊是波長編碼的，所以，光纖光柵感測器不受光源的光強波動、光纖連線及耦合損耗、以及光波偏振態的變化等因素的影響，有較強的抗干擾能力;同時光纖光柵具有非傳導性，對被測介質影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點。
②分佈效能及佈線問題。電類感測器大多為分離型器件，不易與複合物整合，沒有分佈測量的能力，並且需要另外的訊號傳輸載體，導致感測器及引線的巨大增加，現場實施困難。光纖光柵感測器在一根光纖中寫入多個光柵，構成感測陣列，與波分複用和時分複用系統相結合，可實現分散式感測。
③壽命問題。受光纖材料的影響，光纖感測器存在抗外力能力弱的缺點，使用時需做好保護工作。由於光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環境中非常容易破壞，因而需要對其進行封裝後才能使用。較為傳統的感測組元和感測技術如應變片、加速度計、超聲裝置等並不具備上述能力，但是隨著感測器製作工藝的不斷精細化及其使用市場的擴大化，此類感測器的使用壽命正逐漸得到改善和加強。
④被測參量的多樣、多維性。基於波長調製的光纖光柵式感測器，可以在統一的光纖介質下，依據不同原理製作生產出光纖光柵應變感測器、溫度感測器、加速度感測器、位移感測器、壓力感測器等。在此基礎下，訊號的轉換處理程式較為便利。⑤配套裝置設施。由圖1、2可知，電測式監測系統除電阻式感測器外，所需的裝置有動態應變解調儀、遮蔽電纜、若干條並接應變片的電纜(有線情況下)等，而光纖光柵式監測系統除光纖光柵式應變感測器外，還需要一條串接感測器的光纖線及光纖光柵解調儀等基本裝置。
5.結束語
結合上面的分析及描述，從感測原理、感測器效能以及監測系統實用性和經濟性等多方面綜合比較，可以得出下表1的結論。從上面的分析看來，光纖光柵式感測器在技術上整體優於應變電測式感測器。逐漸成熟並發展的基於光纖光柵感測技術的監測方法克服了電類感測器在檢測中出現的相關問題，可實現遠距離感測監測，且靈敏度也大大的提高，提升了整個監測系統的工作品質。光纖感測技術特別是光纖光柵感測技術應用於大型港口起重機械領域，將為大型港口起重機械健康監測和安全狀況評估注入新的活力，為起重機械長期線上健康監測學科的發展帶來了契機。