光纖傳感器陣列的配置和安裝

    布拉格光柵(FBG)技術(shù)特點(diǎn)之一是固有的復(fù)用能力,。傳感器具有特定且不同的布拉格波長(zhǎng)，因此可以串聯(lián)使用,，只要傳感器信號(hào)不重疊,，就不會(huì)影響測(cè)量值的正確讀數(shù)。

    傳感器或傳感器陣列可以單獨(dú)使用,，或者采用熔接機(jī)將兩根光纖連接在一起,，也就是將傳感器陣列熔接在一起。熔接后,，傳感器或傳感器陣列可以連接到光纖解調(diào)儀的同一個(gè)光通道，但必須注意傳感器波長(zhǎng)的選擇,、電纜長(zhǎng)度和熔接對(duì)信號(hào)造成的功率損失等,。

1. 傳感器選擇

    HBM提供多種基于布拉格光柵的傳感器，在光損耗在規(guī)定范圍,，波長(zhǎng)信號(hào)不重疊的情況下,，所有傳感器都可以連接到光纖解調(diào)儀的同一個(gè)光通道上。下面給出的提示適用于光纖應(yīng)變測(cè)量,，但可以適用于其他類型光纖傳感器,。

為了選擇合適的傳感器類型，必須考慮以下要求：

a,、測(cè)量范圍

不同傳感器封裝會(huì)限制他們的測(cè)量范圍,。在選擇傳感器類型時(shí)，測(cè)量范圍的要求可能是排除其他類型傳感器的因素,。

b,、安裝方式

HBM提供多種安裝方式的光纖傳感器，包括黏貼,、焊接,、嵌入或栓接等方式。安裝方式會(huì)影響安裝的速度和成本,，也可能會(huì)排除其他選項(xiàng),。在金屬結(jié)構(gòu)上安裝傳感器時(shí),，焊接是一種快速有效的方法，因?yàn)闊o(wú)需等待粘合劑固化,。對(duì)于復(fù)合材料,，有粘合或嵌入兩種選擇。纖維復(fù)合材料通常不建議采用螺栓連接,，因?yàn)殂@孔會(huì)損壞光纖,，但對(duì)于混凝土或金屬結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，螺栓連接卻是一種很好的解決方案,。

c,、魯棒性

傳感器種類繁多，魯棒性不同,。有些傳感器采用實(shí)驗(yàn)室電纜,，有些使用是室內(nèi)、室外或是絕緣電纜,，這些將限制傳感器的應(yīng)用范圍,。選擇合適的傳感器，在特定環(huán)境中就不需要進(jìn)一步保護(hù),。

d,、 電纜彎曲半徑和長(zhǎng)度

HBM光纖應(yīng)變傳感器分為兩個(gè)系列，兩個(gè)系列在光纖特性上有所不同,。OP Line系列具有高彎曲能力,，可在彎曲半徑較小的應(yīng)用中使用(例如彎曲表面上)。FS Line 系列靈活性較低,，但可在數(shù)公里內(nèi)自由使用,，且不會(huì)造成顯著的光學(xué)損失。

e,、 工作溫度

應(yīng)變測(cè)量可以在多種環(huán)境下進(jìn)行,。但對(duì)于高溫或低溫應(yīng)用，只有部分光纖應(yīng)變片適用,。

f,、溫度補(bǔ)償

基于FBG的應(yīng)變傳感器對(duì)溫度變化敏感，建議進(jìn)行校正,。HBM FiberSensing為無(wú)熱化應(yīng)變傳感器提供了*的解決方案,，消除了溫度變化對(duì)FBG波長(zhǎng)的固有影響(而不是試樣的熱膨脹)。選擇這種應(yīng)變傳感器時(shí),，不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償,。而對(duì)于其他應(yīng)變傳感器，可通過(guò)以下方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償，例如：

• 在應(yīng)變傳感器相同的溫度下放置溫度傳感器：在應(yīng)變傳感器的相同位置上進(jìn)行溫度測(cè)量,，通過(guò)傳感器的熱交叉靈敏度（如數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)表上所述）和基材的熱膨脹,，進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量校正
• 光纖補(bǔ)償元件：對(duì)于某些應(yīng)變傳感器，可以使用溫度補(bǔ)償FBG傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償
• 使用另外僅測(cè)量溫度引起應(yīng)變的光纖應(yīng)變片,，用于相同的材料且相同的溫度條件下,，對(duì)溫度引起的應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償
• 將相同的應(yīng)變片安裝在試樣另一面，將產(chǎn)生應(yīng)變值相同,，信號(hào)不同的信號(hào)：傳感器在這種推拉結(jié)構(gòu)下工作時(shí),，則可消除溫度產(chǎn)生的應(yīng)變

陣列所需的傳感器數(shù)量應(yīng)考慮上述選項(xiàng)。

2. 波長(zhǎng)選擇

傳感器之間的布拉格波長(zhǎng)距離定義了兩個(gè)傳感器的大測(cè)量范圍,，因?yàn)槿绻盘?hào)重疊,，測(cè)量將受到影響。每個(gè)傳感器的使用波長(zhǎng)范圍取決于其測(cè)量范圍,，溫度工作范圍,，以及傳感器靈敏度、傳感器交叉靈敏度和材料熱膨脹引起的熱感應(yīng)波長(zhǎng)偏移,。

從傳感器的中心波長(zhǎng)（λ0）開(kāi)始,，保留的波長(zhǎng)范圍是從小可能到大可能值之間的波長(zhǎng)值：

• FS line傳感器波長(zhǎng)間隔為6.4 nm
• OP line傳感器波長(zhǎng)間隔為5 nm

3. 控制光損耗

FBG傳感器測(cè)量鏈中每個(gè)光通道連接數(shù)不僅取決于所使用的連接類型，還取決于光纖解調(diào)儀,、光纖類型和長(zhǎng)度,，以及安裝過(guò)程（電纜路徑、微曲率等）可能導(dǎo)致的光信號(hào)損失等,。

a,、連接器與熔接

當(dāng)測(cè)量鏈中連接光纖應(yīng)變傳感器時(shí)，可以使用兩種連接：連接器與熔接,。連接器更容易在現(xiàn)場(chǎng)使用，然而,，它們對(duì)光信號(hào)造成更高的損耗,，并且隨著時(shí)間的推移更容易退化。另一方面,，熔接能夠讓兩根光纖在壽命期內(nèi)都保持穩(wěn)定,，并具有較低的光學(xué)損耗。然而,，熔接需要工具,、經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的專業(yè)人員和更長(zhǎng)的安裝時(shí)間。為了盡可能縮短安裝時(shí)間,，同時(shí)增加傳感器陣列中連接的傳感器數(shù)量,，HBM Fibersensing提供了預(yù)先組裝的傳感器陣列，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。

b,、 光纖類型和長(zhǎng)度

兩個(gè)系列光纖傳感器上使用的是不同類型的光纖：FS Line傳感器的光纖內(nèi)芯是9微米,，OP Line的為6微米。FS Line在數(shù)公里內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生大的信號(hào)衰減,，適合長(zhǎng)距離傳輸,。而OP Line信號(hào)衰減較大。當(dāng)兩種類型的光纖連接在一起時(shí),，即使通過(guò)熔接方式,，也會(huì)在接口上產(chǎn)生很高的損耗，從而限制不同類型的光纖在測(cè)量鏈中使用的次數(shù),。

c,、傳感器反射率

FBG傳感器的測(cè)量原理是基于入射光的反射光譜。反射回來(lái)的信號(hào)是入射光的百分比,。FS Line傳感器的反射率約為65%,，而 OP Line傳感器的反射率小于15%。在計(jì)算損耗時(shí),，還應(yīng)考慮傳感器的反射率,。

d、光纖解調(diào)儀的動(dòng)態(tài)范圍

光纖測(cè)量鏈上的允許損耗由光纖解調(diào)儀的可用動(dòng)態(tài)范圍決定,。動(dòng)態(tài)范圍可以看作是光譜的信噪比測(cè)量,。受損信號(hào)一旦大于或接近動(dòng)態(tài)范圍，解調(diào)儀將無(wú)法獲取,。應(yīng)仔細(xì)檢查傳感器, 解調(diào)儀和附件技術(shù)特性,，以優(yōu)化光學(xué)測(cè)量鏈性能。

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