施工经验 | 光纤光栅传感器的选择和使用

2018-12-19 17:16

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前面文章中说过，短时检测用传感器与长期监测用传感器，对其性能要求还是有所不同的。光纤光栅传感器因其抗干扰、长期耐久性强、测量精度高同时能够实现快速采样，在结构物长期监测中得到了较为广泛的应用。典型的光 ...

前面文章中说过，短时检测用传感器与长期监测用传感器，对其性能要求还是有所不同的。光纤光栅传感器因其抗干扰、长期耐久性强、测量精度高同时能够实现快速采样，在结构物长期监测中得到了较为广泛的应用。典型的光纤光栅传感器封装设计如下图1和图2。光栅封装在保护套管中，保护套管两端用夹具夹住，夹具安装在被测结构物上，从而使得光纤与结构物同时发生形变。

图1 典型的光纤光栅传感器外形

图2 工程用光纤光栅传感器示例

选择和使用光纤光栅传感器要理解几个基本概念。

1、波分复用和中心波长

波分复用技术（wavelength-division multiplexing,WDM）是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。

图3光纤光栅传感器原理图

光纤光栅传感器的原理：沿着光纤精确刻上光栅，一束宽频入射光进入光纤，能够被这些光栅反射。通过光栅的设计，每个光栅可以反射不同的波长，所以每个光栅都有一个重要的参数，中心波长，也就是光栅在没有伸缩自由状态下反射的光的波长。当光栅发生伸缩时，反射的波长发生变化，波长的变化与伸缩的位移呈线性关系，如此通过波长变化的测量便可以测量结构物的应变位移。

2、解调仪的波长范围

不同的解调仪能够测量的波长范围是不同的，通常有两种波段1500和1300，工程用1500波段的解调仪波长范围有1510-1550nm，1520-1560nm，1510-1590nm，1300波段解调仪常见1310-1350nm。

波长范围越宽的解调仪，每个通道串联的传感器数量越多；反之波长范围窄的解调仪，每个通道串联的传感器数量越少。解调仪同一个通道上的光纤光栅传感器都有一个不同于其他传感器的中心波长，解调仪通过识别波长的不同来识别不同位置的传感器的测量数值。

图4 光纤光栅传感器的串联

3、光纤光栅传感器的使用

图5 某健康监测系统光纤光栅传感器与解调仪通道关系设计

了解光纤光栅传感器测量原理、中心波长以及配套解调设备的波长范围，就可以设计传感器的中心波长了。记住两点：相同通道上的传感器中心波长不能相同，中心波长相邻的两支传感器考虑到测量范围之后的波长变化，不能出现不同传感器之间波长范围的叠加，如图6。

图6 同一通道上传感器波长变化示意图

举例：假设对某钢结构表面应变进行监测，测量范围选择为±1200με，某传感器产品波长与应变关系为1με/pm,传感器波长变化范围为±1200pm，也就是2.4个nm，相邻传感器之间预留1nm波长范围以免发生信号混叠。如果配套解调设备波长范围为1520-1560nm，即40nm波长带宽。那么每个通道可串联12支传感器。两支相邻触感器之间的中心波长差可按3.4nm考虑。如上图5，要对每个通道每支传感器的中心波长进行设计，然后发给传感器厂家订货。

从成本角度，光纤光栅传感器主要成本在于解调仪，所以根据所安装的传感器数量选择合适的解调仪从而使得单点测量成本最低。传感器数量多，选择80nm波长范围的解调仪；传感器数量较少，考虑选择40nm波长范围的解调仪。

最近两年出现了一种新的光纤光栅解调仪，每个通道只有一支传感器，这样不会发生信号混叠的问题，可以把所有的传感器做成相同的中心波长，订货方便。这种解调仪能够采集的传感器数量有限，但是平均到单支传感器解调成本较低，适合用于大量的中小桥梁的长期监测。