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光纤光栅优缺点

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光纤光栅优缺点

与普通机械、电子类传感器,光纤传感器具有以下优点:

1. 抗电磁干扰:一般电磁辐射的频率比光波低很多,所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

2. 电绝缘性能好,安全可靠:光纤本身是由电介质构成的,而且无需电源驱动,因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。

3. 难腐蚀,化学性能稳定:由于制作光纤的材料-石英具有极高的化学稳定性,因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。

4. 体积小、重量轻,几何形状可塑。

5. 传输损耗小:可实现远距离遥控监测。

6. 传输容量大:可实现多点分布式测量。

7. 测量范围广:可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。

8. 光栅的长度小,只有毫米级,测量值空间分辨率高。

9. 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。

基于土木工程智能监测的实际需要,对不同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。

与传统的光纤传感器相比,波长调制型的光纤光栅传感器具有许多光纤传感器所不具有的独特优点:

1. 抗干扰能力强:这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性(忽略光纤的非线性效应);另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰,例

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如,光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响信号的波长特性,因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。

2. 光纤光栅传感器是自参考的,可以绝对测量(在对光纤光栅进行定标后),不必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。

3. 传感探头结构简单,尺寸小(其外径与光纤本身等同),适于各种场合,尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部,对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测。

4. 便于构成各种形式的光纤传感网络,尤其是采用波分复用(WDM)技术构成分布式光纤光栅传感器阵列,进行大面积的多点测量。

5. 测量结果具有良好的重复性。

6. 光栅的写入工艺已比较成熟,便于形成规模生产(商品化)。

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,见表2。

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。

光纤光栅传感器由于具有上述诸多优点,因而具有广泛应用。近年来光纤光栅在传感方面的研究已越来越引起人们的重视。

光纤光栅作为光纤传感器虽然具有许多传统传感器不具备的优点,但它也为实际的传感

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系统带来了两个值得研究的问题:其一,光纤光栅是以光栅的波长作为传感媒介,通过波长漂移来感知外界物理参量的变化;欲加宽测量范围就必须采用宽带光源,而欲提高分辨率就必须压窄反射线宽(这就大大降低了宽光源的功率利用率),这样就要求在光纤光栅传感应用系统中,必须采用宽带大功率光源,才能提高系统的信噪比,实现可靠的信号检测;其二,对外界物理参量变化的直接表现形式是波长漂移,所以欲提高检测灵敏度和分辨率就必须采用高性能的单色仪或光谱仪,这样一来,势必增加整个系统的造价,降低其实用性。这两个问题在今后光纤光栅传感应用方面将成为重点。

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