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光纤光栅技术优点

2015-1-17 10:18:56点击:
重大土木工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大、使用期限长,传统的传感设备组成的长期监测系统的性能稳定性和耐久性都不能很好地满足工程实际的需要。随着智能材料系统与结构的研究与发展,近年发展起来的高性能、大规模分布式智能传感元件,如光纤、形状记忆合金、压电材料、电阻应变丝、疲劳寿命丝(箔)、碳纤维、半导体材料等为重大工程结构与设施的健康监测系统发展提供了基础。采用智能材料可以制作性能更好的传感元件,特别是制作大规模表面附着式或埋入式传感分布阵列使结构的重要构件或整体具有感知特性,从而获得结构的性态响应数据。 
基于土木工程智能监测的实际需要,对上述传感材料进行定性比较,如表1所示:  
综合比较这些智能传感元件的各项指标,可以看出光纤传感器是土木工程健康监测的最佳选择。 
光纤传感技术是现代通信的产物,是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。光在传输过程中,光纤易受到外界环境的影响,如温度、压力等,从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化,从而通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量。光纤传感器机理主要包括强度型、干涉型以及布拉格光栅型三种。 三种光纤传感器的定性比较: 
通过上述比较,光纤光栅传感器更适于土木工程结构的健康监测。与传统的基
于电学量的传感器比较,光纤光栅传感器具有明显的优点: • 不受潮湿环境影响,能避免电磁场的干扰,电绝缘性好; • 耐久性好,具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力; • 质量轻,体积小,对结构影响小,易于布置; • 既可以实现点测量,也可以实现分布式测量; 
• 测量动态范围只受光源谱宽的限制,不存在多值函数问题; 
• 检出量是波长信息,因此不受接头损失、光沿程损失等因素的影响,对环境干扰不敏感; 
• 波长编码,可以方便实现绝对测量; 
• 单根光纤单端检测,可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数; • 信号、数据可多路传输,便于与计算机连接,单位长度上信号衰减小; • 灵敏度高,精度高; 
• 光栅制作过程中没有机械损伤,使用方便; • 光栅的长度小,只有毫米级,测量值空间分辨率高; 
• 输出线性范围宽,在10000微应变范围内波长移动与应变有良好的线性关系,频带宽,信噪比高。 

除了上述优点外,Alavie(1994)等人将布拉格光栅传感器埋入碳纤维复合材料测其应变的实验表明:在0~2000循环320000次后,光纤传感器仍没有出现劣化现象;Morey(1996)通过加速老化试验认为光纤布拉格光栅存活寿命大于25年。这些优点是其它传感器无法比拟的。所以,自从美国的Morey(1989)等人首次对光纤光栅的应变与温度传感研究以来,世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究,并取得了丰硕的成果,在短短的10多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术。目前的研究已发展到实际工程应用阶段。


热可调谐光纤光栅