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光纖應變片 (也稱為布拉格光柵傳感器)，用于測量應變，但可以集成不同類型的傳感器到一根光纖中，例如溫度，加速度或移位等。與傳統(tǒng)的電阻應變片相比，光學應變片不需要供電，該技術基于通過光纖傳播的光。
因此，傳感器是完全被動和免疫的，例如電磁干擾。這也是在某些應用中光學應變片優(yōu)于電阻應變片的原因。
結(jié)構(gòu)
光學應變片由二氧化硅芯和包層組成。
在本文中，我們將重點介紹光纖應變傳感器，其中光纖本身是傳感器。其他類型的光纖傳感器使用光纖本身傳輸光，而不是用它來測量。
它像普通的電信光纖一樣長，可以長達幾公里，有許多測量點。纖維本身由兩層組成：纖芯和密度較低的包層。塑料涂層纏繞在二氧化硅纖維上以進行保護。
工作原理
光纖作為傳感器
為了制造實際的應變傳感器，光纖在生產(chǎn)過程中用所謂的光纖布拉格光柵(FBG)進行內(nèi)接。這基本上是材料干擾的一種模式，反射出與光纖的其余部分不同的光線。為了更好地理解，您可以將光纖視為圓柱形透明材料，其中有許多薄片。當來自激光的光線照射該薄片時，某些波長被反射，而其它波長則通過。
材料干擾 - “切片” 以一定的間隔放置。當光纖被拉伸或壓縮時，因此受到正或負應變 - 這些間隔發(fā)生變化。當光纖被拉伸時，它變長，空間變大，反之亦然。
當光纖布拉格光柵處于應變狀態(tài)時，反射光回傳需要更長或更短的時間來回傳，反射的波長也會發(fā)生變化。光纖布拉格光柵具有一定的折射率。材料的折射率描述了通過材料時彎曲或折射多少光。當光柵由于應變而改變形狀時，其折射率也將產(chǎn)生改變。
整個光纖布拉格光柵總體約為5毫米，盡管用肉眼看不到單獨的材料干擾。在顯微鏡下，許多光纖布拉格光柵可以刻錄在一根長的光纖中，每個光柵作為單個應變傳感器工作。
當光纖被施加到材料時，它將與材料一起產(chǎn)生變形。測量的應變用于允許分析材料中的機械應力。
為了給出實際的例子，當將光纖施加到隧道壁上時，當隧道壁材料中存在應力時，其將使光纖產(chǎn)生應變，這可能是由于列車沖擊的振動或是多年來產(chǎn)生的墻壁沉降或裂縫，從相關的應變的信息確定是否需要進行維護。
光纖解調(diào)儀
對于測量，光纖需要連接到所謂的光纖解調(diào)器; 它能夠連續(xù)發(fā)出不同波長的光，一次一個， 這被稱為“掃描激光”。 光傳播通過光纖，在某點由布拉格光柵反射，并返回解調(diào)器。
由于布拉格光柵具有不同周期，因此可以區(qū)分不同傳感器的信號。 其余光線到達光纖末端時會折射，因此不影響測量。 從光柵返回的原始光信號可以推導出實際應變，獲得材料應力。
.那么，為什么核心和包層之間的密度差是非常重要的呢? 激光用于通過光纖發(fā)光， 兩種不同的纖維材料密度產(chǎn)生通道光纖內(nèi)部的光，從而不散射光柵。 為了能進行工作，重要的是光纖沒有太多彎曲。
溫度補償是關鍵
布拉格光柵傳感器極易受溫度影響。隨著溫度的升高，光纖隨著溫度的升高而膨脹。折射率也發(fā)生變化。沒有補償，這將導致獲得的應力包括溫度產(chǎn)生的應變。有以下幾種補償技術，包括：
應變傳感器邊上安裝溫度傳感器，從測量數(shù)據(jù)中減去溫度效應來進行數(shù)學補償。
將兩個光纖布拉格光柵放置在推挽式結(jié)構(gòu)中，使得當處于應變狀態(tài)時，一個被壓縮，另一個被拉伸。溫度效應對于兩者都是相同的(例如延長)，但是機械應力的影響是不同的：這樣就可以對溫度進行數(shù)學補償。
將光纖包封在機械設備中，該材料在被測材料的相反方向上膨脹，以消除溫度效應，并且不需要數(shù)學補償。
光纖傳感器應用
“作為 法國 ITER 項目 的一部分, 我們的傳感器需要適應劇烈的溫度變化，從大約 -270°C 到 300°C，并且處在強烈的電磁場中。在這種應用中，電阻應變片幾乎無法正常工作。“ Cristina Barbosa 解釋道。
橋梁，風力發(fā)電機和隧道等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應用中，由于單個光纖可以容納數(shù)百個傳感器，尤其是隧道或管道監(jiān)測等大型項目中，其與傳統(tǒng)的應變片相比，布線和安裝成本更低。
此外，由于光纖技術天生的抗電磁干擾性，光學測量技術可以用于存在大量電磁干擾或可能爆炸的環(huán)境(如煉油廠)中。
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