光纤光栅传感方式的特征及优点

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1引言

在对港口机械设备结构应力状态的监测中，主要有基于电阻应变电测技术的监测方法和基于光纤光栅传感技术的监测方法，其配套设备、数据采集原理、系统框架都存在巨大的差异。

2电测式监测系统基本构成

应变电测法的测量系统通常由应变片、应变仪、记录仪及计算分析设备等部分组成。它的基本原理是:将应变片按构件的受力状况，合理的固定在被测构件表面，当构件受力变形时，应变片的电阻值就发生相应的变化。通过电阻应变仪将这种电阻值的变化测量出来，并换算成应变值或输出与应变成正比的模拟电信号(电流或电压)，用记录仪器记录此电信号，再作分析与处理。也可用分析设备或计算机按预定的要求直接接受模拟电信号并进行数据处理，从而得到应力、应变值或其他物理量。基于电阻应变电测技术的港机金属结构远程在线监测系统基本框架图描述如下：

3光纤光栅式监测系统的基本构成

光纤光栅式结构监测系统的设备通常包括以下几类:①光纤光栅应变传感器;②数据接收器;③光纤光栅解调器;④工控机(数据分析系统);⑤无线局域网+远程主机等(如果需要实现远程监测，则还需要在采集器中集成数据远程传输模块)。综合看来，基于光纤光栅传感技术的港机金属监测方法系统一般框架图可以描述如下:此系统中，光纤光栅传感器直接埋入或粘贴在结构的表面，以进行结构状态的在线全程信号采集(其中包括用于结构关键部位健康状传感器和用于结构损伤诊断的传感器)，在结构上合理布置的。再用多种复杂技术(时分，频分和波分)对光信号进行直接传输。从重大工程结构上采集后的光信号，通过远程传输光纤网络，传输到健康监测和损伤诊断中心。同时，可以在中心对数据采集方式进行远程调控。

4两种方式的比较

4．1传感原理比较

①电阻应变测试技术。电阻应变测试技术，它是采用电阻应变计(又称电阻应变片)作为传感元件将构件表面应变转化为电阻变化，然后用电阻应变仪把电阻变化转换成电压或电流变化，经放大并测量这种变化再用其他仪器记录，由所测应变换算出应力。应变片测量应变的工作原理是基于金属丝的电阻随其机械形变而变化的一种特性。令金属丝的长度为L，直径为D，截面积为A，电阻率为ρ，则金属丝的电阻为:K与两个因数有关，一个是电阻丝材料的泊松比，由电阻丝几何尺寸改变引起，当选定材料后，泊松比为常数;另一个是电阻丝发生单位应变引起的电阻率的改变，对大多数电阻丝而言也是一个常量。因此可以认为是一个常数。由此可见，应变片的电阻变化率与应变值呈线性关系。②光纤光栅传感技术。如图3所示，当一束宽光谱光λ，经过光纤Bragg光栅时，被光栅反射回一单色光λB，相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯有效折射率neff有关。光纤光栅的传感与原理如图4所示。光纤光栅的反射或透射波长主要取决于光栅周期改变量ΔΛ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参数发生改变的物理过程都将引起光栅波长的漂移，具体的关系式如下:由于光栅无论是拉伸还是压缩，均会导致光栅周期发生变化。此外，光纤本身具有的弹光效应决定了它的有效折射率neff必定随外界应力状态的变化而变化，因此应力应变是所有反映光栅波长漂移的最直接外界因素，这就是光纤光栅材料可以制作成光纤应变传感器并检测应力应变特性等基本物理参量的重要原因。试验证明，采用光纤光栅温度补偿传感器可以克服温度对应变测量的影响。

4.2传感器的性能比较

①干扰问题。电阻式传感器响应输出的电信号易受环境因素(如温度、湿度、电磁干扰等)的影响，进而导致传感的准确度、灵敏度、持久性的降低。光纤光栅传感器的测量信息是波长编码的，所以，光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力;同时光纤光栅具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点。

②分布性能及布线问题。电类传感器大多为分离型器件，不易与复合物集成，没有分布测量的能力，并且需要另外的信号传输载体，导致传感器及引线的巨大增加，现场实施困难。光纤光栅传感器在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，可实现分布式传感。

③寿命问题。受光纤材料的影响，光纤传感器存在抗外力能力弱的缺点，使用时需做好保护工作。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。较为传统的传感组元和传感技术如应变片、加速度计、超声设备等并不具备上述能力，但是随着传感器制作工艺的不断精细化及其使用市场的扩大化，此类传感器的使用寿命正逐渐得到改善和加强。

④被测参量的多样、多维性。基于波长调制的光纤光栅式传感器，可以在统一的光纤介质下，依据不同原理制作生产出光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器等。在此基础下，信号的转换处理程序较为便利。⑤配套设备设施。由图1、2可知，电测式监测系统除电阻式传感器外，所需的设备有动态应变解调仪、屏蔽电缆、若干条并接应变片的电缆(有线情况下)等，而光纤光栅式监测系统除光纤光栅式应变传感器外，还需要一条串接传感器的光纤线及光纤光栅解调仪等基本设备。

5结束语

结合上面的分析及描述，从传感原理、传感器性能以及监测系统实用性和经济性等多方面综合比较，可以得出下表1的结论。从上面的分析看来，光纤光栅式传感器在技术上整体优于应变电测式传感器。逐渐成熟并发展的基于光纤光栅传感技术的监测方法克服了电类传感器在检测中出现的相关问题，可实现远距离传感监测，且灵敏度也大大的提高，提升了整个监测系统的工作品质。光纤传感技术特别是光纤光栅传感技术应用于大型港口起重机械领域，将为大型港口起重机械健康监测和安全状况评估注入新的活力，为起重机械长期在线健康监测学科的发展带来了契机。