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在本文中，我們將重點介紹光纖應(yīng)變傳感器，其中光纖本身是傳感器。其他類型的光纖傳感器使用光纖本身傳輸光，而不是用它來測量。

它像普通的電信光纖一樣長，可以長達(dá)幾公里，有許多測量點。纖維本身由兩層組成：纖芯和密度較低的包層。塑料涂層纏繞在二氧化硅纖維上以進(jìn)行保護(hù)。

光纖作為傳感器

為了制造實際的應(yīng)變傳感器，光纖在生產(chǎn)過程中用所謂的光纖布拉格光柵（FBG）進(jìn)行內(nèi)接。這基本上是材料干擾的一種模式，反射出與光纖的其余部分不同的光線。為了更好地理解，您可以將光纖視為圓柱形透明材料，其中有許多薄片。當(dāng)來自激光的光線照射該薄片時，某些波長被反射，而其它波長則通過。

材料干擾 - “切片” 以一定的間隔放置。當(dāng)光纖被拉伸或壓縮時，因此受到正或負(fù)應(yīng)變 - 這些間隔發(fā)生變化。當(dāng)光纖被拉伸時，它變長，空間變大，反之亦然。

當(dāng)光纖布拉格光柵處于應(yīng)變狀態(tài)時，反射光回傳需要更長或更短的時間來回傳，反射的波長也會發(fā)生變化。光纖布拉格光柵具有一定的折射率。材料的折射率描述了通過材料時彎曲或折射多少光。當(dāng)光柵由于應(yīng)變而改變形狀時，其折射率也將產(chǎn)生改變。

整個光纖布拉格光柵總體約為5毫米，盡管用肉眼看不到單獨(dú)的材料干擾。在顯微鏡下，許多光纖布拉格光柵可以刻錄在一根長的光纖中，每個光柵作為單個應(yīng)變傳感器工作。

當(dāng)光纖被施加到材料時，它將與材料一起產(chǎn)生變形。測量的應(yīng)變用于允許分析材料中的機(jī)械應(yīng)力。

為了給出實際的例子，當(dāng)將光纖施加到隧道壁上時，當(dāng)隧道壁材料中存在應(yīng)力時，其將使光纖產(chǎn)生應(yīng)變，這可能是由于列車沖擊的振動或是多年來產(chǎn)生的墻壁沉降或裂縫，從相關(guān)的應(yīng)變的信息確定是否需要進(jìn)行維護(hù)。

對于測量，光纖需要連接到所謂的光纖解調(diào)器; 它能夠連續(xù)發(fā)出不同波長的光，一次一個， 這被稱為“掃描激光”。 光傳播通過光纖，在某點由布拉格光柵反射，并返回解調(diào)器。

由于布拉格光柵具有不同周期，因此可以區(qū)分不同傳感器的信號。 其余光線到達(dá)光纖末端時會折射，因此不影響測量。 從光柵返回的原始光信號可以推導(dǎo)出實際應(yīng)變，獲得材料應(yīng)力。

.那么，為什么核心和包層之間的密度差是非常重要的呢？ 激光用于通過光纖發(fā)光， 兩種不同的纖維材料密度產(chǎn)生通道光纖內(nèi)部的光，從而不散射光柵。 為了能進(jìn)行工作，重要的是光纖沒有太多彎曲。

溫度補(bǔ)償是關(guān)鍵

布拉格光柵傳感器極易受溫度影響。隨著溫度的升高，光纖隨著溫度的升高而膨脹。折射率也發(fā)生變化。沒有補(bǔ)償，這將導(dǎo)致獲得的應(yīng)力包括溫度產(chǎn)生的應(yīng)變。有以下幾種補(bǔ)償技術(shù)，包括：

• 應(yīng)變傳感器邊上安裝溫度傳感器，從測量數(shù)據(jù)中減去溫度效應(yīng)來進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

• 將兩個光纖布拉格光柵放置在推挽式結(jié)構(gòu)中，使得當(dāng)處于應(yīng)變狀態(tài)時，一個被壓縮，另一個被拉伸。溫度效應(yīng)對于兩者都是相同的（例如延長），但是機(jī)械應(yīng)力的影響是不同的：這樣就可以對溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

• 將光纖包封在機(jī)械設(shè)備中，該材料在被測材料的相反方向上膨脹，以消除溫度效應(yīng)，并且不需要數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

光纖傳感器應(yīng)用