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張工聊光纖 | 基于光纖光柵的光學測量鏈的優勢

HBK測試與測量

2022年11月16日 15:14

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張工說

張工聊光纖 | 基于光纖光柵的光學測量鏈的優勢的圖1

本文旨在幫助系統集成商和工程師為 多物理量光學監測解決方案 選擇正確的組件。這一點至關重要，因為所有的主要結構都暴露在導致應變和退化的因素之下，例如橋梁、建筑、管道和隧道。如未能可靠、準確地監測應變、溫度和其他物理參數，可能就無法發現故障和結構問題，從而導致災難。

在下文中，我們將為您介紹基于光纖光柵技術在結構健康監測中，所具備的優勢。

結構健康監測 - 預防故障，而非修復損壞

對于大型且造價高昂的結構，如隧道、橋梁和管道，需要對其結構完整性進行定期、具有成本效益的監測。這樣可以確保安全性和可靠性。

結構健康監測（SHM）在這里發揮了關鍵作用，因為它采取主動的維護和監測方法，而不是等發生損壞后再去修復。這種主動的方法可以節省資金并防止結構的意外故障。

但是，由于成本、不知道使用哪種傳感器和難以解釋應變數據等原因，在主要基礎設施中安裝可靠和準確的SHM需求往往被忽略。一旦發生應變引起的結構損傷，這就會成為一個問題。而且這種情況確實經常發生，因為民用基礎設施暴露在持續的負載和環境因素中，隨著時間的推移，會造成磨損和退化。

例如，由于交通需求的不斷增加，以及氣候變化和惡劣的天氣條件，橋梁的結構發生退化。不良的施工方法、地震活動和附近的建筑物也會造成一定的影響。而沒有持續的監測，就無法發現或預測故障和結構問題，從而導致災難發生。事實上，在美國，要求每兩年對每座橋進行一次目視檢查，以防止此類結構問題的出現。

但根據美國土木工程師協會（ASCE）2017年《基礎設施報告卡》可知，美國有近10%的橋梁存在某種結構問題，使橋梁變得很脆弱。而在加拿大的大約75000座公路橋梁中，幾乎有三分之一都存在結構性缺陷。如果不能發現和處理這些結構性缺陷，可能會導致高額的維護成本、關停當地的基礎設施，最糟糕的情況下甚至會發生結構坍塌和死亡事件。因此，有助于方便且經濟地監測基礎設施磨損的技術具有巨大的市場。

傳統的電阻式應變傳感器

自 20世紀40年代以來，電阻式應變片一直是結構應變監測的基準。但是，電阻式應變片會有一定的限制，有時會阻礙簡單可靠的測量。

張工聊光纖 | 基于光纖光柵的光學測量鏈的優勢的圖2

例如， 所需電纜的數量 可能會是一個挑戰。因為長電纜的成本很高，并且在有許多測量點的大型結構中使用大量的長電纜會較難管理，盡管存在測量距離達幾百米的電應變技術解決方案。

創新型的光纖光柵技術

基于光纖光柵（FBG）技術的光學傳感器，為傳統電學測量鏈提供了一個頗具吸引力的替代方案，是一種創新型結構健康監測解決方案。

張工聊光纖 | 基于光纖光柵的光學測量鏈的優勢的圖3

這是因為FBG技術具備一些優勢，比如在 一根光纖中安裝多個傳感器 ，整體輕量化無源設計，以及低衰減——支持長距離安裝。同時，這種技術不受電磁干擾（EMI）的影響，而且傳感器比電阻應變片更具有環境穩定性（因此其可以承受惡劣的環境條件）。當涉及到中高通道數和總擁有成本時，其價格也具有競爭力。

基于FBG的傳感器的優勢

不受電磁噪聲干擾（EMI）的影響
低衰減，可長距離安裝
在同一條線上可以有幾個傳感器。這就削減了線纜的長度和復雜性，也簡化了安裝過程，性價比更高
可以承受惡劣的條件，最大限度地減少對復雜或昂貴的保護方案的需求
長期的信號穩定性（無漂移），具有絕對零基準（即使在時間上分散，也能進行相關的測量）

FBG技術應用領域

它很容易與供應商的軟件一起使用，而且還可以集成到任何個人電腦中，久而久之，FBG技術獲得了很大的市場份額。它現在被廣泛用于傳感應用中。

例如，它被用于土木工程的各種健康監測應用，包括公路和鐵路基礎設施，也包括地質結構、石油和天然氣、海洋工業的船體監測、航空航天結構和汽車溫度驗證。

FBG的更多優勢

在一根光纖中復用許多甚至是不同的傳感器。然后，所有的傳感器都有不同的波長，減少了傳感網絡所需的布線量。
即使在高振動負荷下也具有長期信號穩定性和系統耐久性。公路和橋梁上交通需求的日益增加會導致結構磨損，而傳感器在這里不太可能失效。
距離和電纜長度對測量精度的影響微乎其微。由于FBG傳感器經歷了低衰減，數據總是可靠的。而且，即使數據采集系統離最遠的傳感器有幾公里遠，數據同樣是可靠的。
與銅芯電纜相比，光纖更細、更輕。
如上所述，FBG技術完全不受電磁干擾（EMI）或射頻干擾（RFI）的影響，這使得傳感器可以安裝在鐵路高架線和受電弓等安全關鍵部件附近。
這些FBG傳感器還可以在高爆炸性的環境和其他惡劣條件下使用。

下期，我們還將向您展示如何輕松設計一個典型的基于光纖光柵的測量鏈。

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