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光纤传感器在机械工程中有哪些应用

发布时间:2023-03-29 10:39:30

① 光纤传感技术的光纤传感技术的应用

光纤传感技术在结构工程检测中歼答的应用 钢筋混凝土是目前非常广泛应用的材料,将光纤材料直接埋入混凝土结构内或粘贴在表面,是光纤的主要应用形式,可以检测热应力和固化、挠度、弯曲以及应力和应变等。混凝土在凝固时由于水化作用会在内部产生一个温度梯度,如果其冷却过程不均匀。热应力会使结构产生裂缝,采用光纤传感器埋入混凝土可以氏凯慧监测其内部温度变化,从而控制冷却速度。 混凝土构件的长期挠度和弯曲是人们感兴趣的一个力学问题,为此已研制出能测量结构弯曲和挠度的微弯应变光纤传感器,并用一根光纤连接整个结构不同位置上的传感器进行同时监测,每个传感器的位置可用OTDR来识别。光纤传感器还能探测混凝土结构内部损伤。在正常荷载作用下,由于钢筋阻止干化收缩或温度引起的体积变化都会引起裂缝,裂缝的出现和发展可以通过埋入的光纤中光传播的强度变化而测得。 光纤传感技术在桥梁检测中的应用 桥梁是一个国家的经济命脉,桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分。利用光纤传感器测量振动,主要可得到桥梁的振动响应参数如频率、振幅等,其方法是:将信号光纤粘贴于桥梁内部,它随着桥梁的振动而产生振动响应, 输出光的相位作周期性的变化,则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化。 成功的案例有:加拿大在1993年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上,在桥开通后连续监测了8个月,测量了混凝土内部的整体分布应变,并用动态规化理论处理数据,准确而又快速的评估了桥梁的使用状态及寿命。1996年,美国海军实验研究中心研制了新墨西哥州I -10桥健康检测系统,它由60个FBG传感器组成,可实现动态与静态应变测量。 光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用 岩土工程检测具有长时效性、环境复杂、具有时空限制、施工环境制约等特点,其检测工作一直是等待解决的难题。目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明,满足上述测试要求十分困难。而由于光纤传感器体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀等诸多优良特性,使用它成为岩土力学工程的检测工具成为学者们的研究对象。下面列举一例成功应用光纤传感器检测岩土工程的成功案例: 三峡大坝坝前水温监测 三峡大坝坝体内部靠近上游面埋设有点式温度计,因埋设点位于坝体内,所测温度与实际库水温度存在一定的差异。为了能更真实地反映库水温度的变化规律,长江科学院结合坝前水温观测的实际现状,在左厂14-2坝段布设1条测温垂线,采取光纤Bargg光栅温度传感器进行监测,通过实际工程应用,光纤Bargg光栅温度传感器测量水温,可以满足水温监测的要求,且与水银温度计直接测量水温相比,结果较好。 光纤传感技术在军事上的应用 光纤传感技术在军事上同样应用广泛。光纤陀螺仪经过30多年的发展,已经广泛应用与民航机,无人机,导弹的定位和控制中。光纤水听器可以孙猜用于船舶军舰收集声音,探测越来越先进的潜艇。且近几年来,基于光纤传感技术的光纤网络安全警戒系统开始在边防及重点区域防卫中得到推广应用。目前,世界上发达国家使用的安全防卫系统就是基于分布式光纤传感网络系统的安全防卫技术。
石油和天然气:油藏监测井下的P / T传感、地震阵列、能源工业、发电厂、锅炉及蒸汽涡轮机、电力电缆、涡轮机运输、炼油厂;
航空航天:喷气发动机、火箭推进系统、机身;
民用基础建设:桥梁、大坝、道路、隧道、滑坡;
交通运输:铁路监控、运动中的重量、运输安全;
生物医学:医用温度压力、颅内压测量、微创手术、一次性探头。

② 光纤传感器的原理,作用以及应用

我就是做光纤传感器(OFS)的,OFS在应用上分为传光型的和传感型的。顾名思义,前一种就是起到传输光的作用,传感元件要与光纤连在一起;后一种就是既有传输光的作用,又有传感作用。现在研究热点几乎都是后一种,所以我就简单介绍下后一种,因为光纤传感器作为传感用有很多的应用,比如抗腐蚀,抗电磁干扰等,可以在复杂恶劣的环境下使用。作为传感用的光纤,原理上就是通过对传输光的偏振,强度,相位,波长,周期,频率等进行调制,通过检测器获得调制结果而进行传感的器件。因为当外界的环境变化时,比如说温度,应力、磁、声、压力、温度、加速度等都会对光纤的折射率分布等一些构造产生微小的影响,导致传输光的特性发生改变,通过探测这些改变而得到外界的变化,起到传感作用。
至于应用方面就很广泛了,几乎可以应用到现在大多数电学传感器应用的领域了,比如现在比较火的是安防,围界安全,输油管道安全实时监控等,反正应用前景很广的。有具体想问的可以联系我,因为我就在做这方面。呵呵。

③ 光纤光栅传感器可以用在哪些地方

传感器的应用早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久此手的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。(工控网)
光栅传感器的应用领域由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化,因而在机械工业中得到了广泛的应用。栅传感器在民用工程结构中的应用
民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等来说,通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及状况,方便进行维护和状况监测。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,还以监视结构的缺陷情况。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,并通过计算机对传感信号进行远程控制。光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时,一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面,或在梁的表面开一个小凹槽,使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽中(便于防护)。
如果需要更加完善的保护,则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋。同时,为了修正温度效应引起的应变,可使用应力和温度分开的传感臂,并在每一个梁上均安装这两个臂。

兄扒晌参考资料:工控网-光栅传感羡锋器

④ 传感器在现代生产和生活中有哪些应用

1、医疗

板载压力传感器、流量传感器、触力传感器以及 温湿度传感器、气体传感器等产品广泛应用于气相色谱仪、 呼吸机、制氧机、注射液泵、体外诊断、监护仪、麻醉机、 透析仪等众多医疗及相关领域,其出众的可靠性、耐用性和 准确性和紧凑的设计能满足医疗器械严格的设计规定,霍尼 韦尔的领先技术和产品以及经验丰富的应用工程支持可帮助 医疗设备设计人员快速找到传感或开关解决方案,以满足其 性能需求,为增强患者安全,提高患者护理质量助力。
2、工业
从工厂车间到最远的配送中心,霍尼韦尔使更多的全球企业 保持工业自动化。我们广泛的组件,标准接口和工程专业知 识可满足众多工业所需求的强大解决方案。每个零件或结构 都内置了增强的精度和耐用性。霍尼韦尔的解决方案也很灵 活,可针对确切的规格进行量身定制 - 以实现更高的性能, 更高的生产率和安全性。所有这些加在一起减少了支出和运 营成本。霍尼韦尔的各类传感器广泛运用于工业电机控制、 位置检测和速度检测应用,此外在电动工具、电表、阀门、 制冰系统等多种应用可以发现我们的身影。
3、环境
大气环境污染治理市场规模不断扩大,国家对环保的要求也 日益严苛,实现平台化在线监测能为控制污染源无组织排放、 大气污染综合管理,制定节能减排方案提供可靠的数据信息 和科学的辅助管理决策。霍尼韦尔的空气流量、颗粒物,压 力及气体等产品广泛应用于大气网格化监测系统及各类环境 质量检测设备和仪表,具有专业、性能稳定,较高的一致性 和耐用性的特点。
4、汽车电子
随着逐渐严格的碳排放要求,无论国内还是国际对新能源车 辆的关注也逐渐提高,应对新能源车辆电池安全性的严苛要 求,我国已经制定了相关的法规要求必须有相应的措施确保 电池危险事故发生前驾乘人员有足够时间撤离。霍尼韦尔用 于 BMS (电池管理系统)的电流传感器及电池安全传感器 可提供高精度、高可靠性的使用性能 , 提高电池续航里程准 确度,打造安全的电池系统,保证人员安全。
5、物流仓储
在日常的仓储环境中,条码分布往往在不同位置,比如产品 包装,产品外向等容易扫描的地方;也有像仓库货架或者地 标等较远位置,使用同款设备往往无法满足不同扫描距离的 要求。基于此需求,霍尼韦尔光学引擎产品可帮助企业的移 动设备、平板电脑、SLED 和可穿戴设备制造商引领发展潮 流,推出在扫描性能、可靠性和集成灵活性方面超越一般行 业标准的产品。基于霍尼韦尔的最新解码和成像技术,以精 英工程团队为强大后盾,随时准备提供支持以满足您的集成 需求。
6、交通运输
智能化、耐用、高可靠性、定制化以及一站式采购是交通 运输行业客户对开关和传感器类产品普遍的需求。霍尼韦 尔技术领先的、行业里标杆客户普遍使用的、产品种类和 系列非常丰富的、具有高性价比的标准和定制化限位开关、 压力开关、钮子开关、钥匙开关,换挡器、小时表、压力 传感器、温度传感器,速度传感器、IMU 等产品,广泛应 用于工程机械,建筑机械,农业机械,商业运输车辆等行 业。我们的产品有效地提升了客户产品的智能化、集成化、 生产效率、人机安全,减少发动机排放和机器维护时间。 同时我们本地化的销售、技术支持和研发团队,及时响应 和支持客户在设计、使用以及售后中遇到的各种问题,做 到东方服务于东方。
7、消费电子 / 家电
低功耗,小尺寸,快速革新是消费类电子最显著特征。霍 尼韦尔的各种磁性传感器,从低功耗,高采样,高稳定性, 更宽温度范围,得以对更多类型消费类电子应用提供精准 的组合方案,满足客户的多变性灵活要求,在响应市场快 速变化的同时,提供高性能高稳定的各类产品方案。霍尼 韦尔的板载压力和测力传感器以较小的形状因数和稳定的 性能以及数字输出广泛适用于现代消费电子和家电设备对 压力和测力的需求
8、航空航天
高可靠性和精密控制是航空航天行业的最低要求。霍尼韦 尔的各种类型开关和传感器,从超小尺寸、高精密性、超 高低温工作范围、耐高冲击和震动几十年如一日,霍尼韦 尔的测试测量产品可对飞行测试和静态疲劳测试和其他部 件的测试提供精准的测试测量方案,满足客户的各种最苛 刻需求,始终能稳定工作。
9、石油天然气
霍尼韦尔传感器和开关是当今石油和天然气工业中不可或 缺的元素,可用于许多类型的上游应用,例如勘探、油井 开发和生产。它们必须坚固耐用,才能在陆地和海上的世 界上最苛刻的某些环境条件下生存,同时提供准确而可靠 的性能,应对至关重要的石油和天然气工艺,霍尼韦尔的 测试测量产品可应用于油田设备的部件测试,提供钻井泥 浆压力测试,井下工具的压力测量。产品可用于高冲击、 振动、腐蚀介质和过压应用,传感器具有高灵敏度、可重 复性和长期可靠性的特性,为石油天然气行业助力。

⑤ 光纤传感器与光电传感器的区别以及应用

1、定义不同

光电传感器:光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器埋毁件。其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。

光纤传感器:光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器,

在调制器内与外界被测参数的相互作用,使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化,成为被调制的光信号,再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。

2、性能不同

光电传感器:暂态响应范围宽,谐波测量能力强,暂态特性的优劣是判断一种互感器能否在电力系统中获得应用的一个重要参数,特别是与继电保护动作时间的配合。传统电磁式互感器由于存在铁芯,对高频信号的响应特性较差,不能正确反映一次侧的暂态过程。

而光电互感器传测量的频率范围主要由电子线路部分决定,没有铁芯饱和的问题,因此能够准确反映一次侧的暂态过程。一般可设计到0.1Hz到1MHz,特殊的可设计到200MHz的带通。光电传感器的结构可以测量高压电力线路上的谐波。而电磁感应互感器是难以达到的。

数字接口,通信能力强,由于光电传感器下传的就是光数字信号,与通信网络容易接口,且传输过程中没有测量误差。

同时随着微机化的保护控制设备的广泛采用,光电互感器可以直接向二次设备提供数字量,这样就能省去原来保护装置中的变换器和A/D采样部分,使二次设备得到大大的简化,推动保护新原理的研究。

体积小,重量轻、易升级,满足变电站小型化与紧凑型的要求,由于光电传感器是靠传感头和电子线路进行信号的获取和处弯缓备理,体积小,重量一般在1000kg以下,

便于集成在AIS或GIS中,这样将大大减少变电站的占地面积,满足变电站小型化和紧凑化的要求。同时光电互感器通过少量光缆与二次设备连接,可使电缆沟和电缆大为减。

光纤传感器:光纤具有很多优异的性能,例如:具有抗电磁和原子辐射干扰的性能,径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等,

它能够在人达不哪渗到的地方,或者对人有害的地区(如核辐射区),起到人的耳目的作用,而且还能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。

3、应用不同

光纤传感器:城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力,从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。

在电力系统,需要测定温度、电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受电磁场的干扰,无法在这类场合中使用,只能用光纤传感器。

光电传感器:用光电元件作敏感元件的光电传感器,其种类繁多,用途广泛。按光电传感器的输出量性质可分为两类:把被测量转换成连续变化的光电流而制成的光电测量仪器,可用来测量光的强度以及物体的温度、透光能力、位移及表面状态等物理量。

例如:测量光强的照度计,光电高温计,光电比色计和浊度计,预防火灾的光电报警器,构成检查被加工零件的直径、长度、椭圆度及表面粗糙度等自动检测装置和仪器,其敏感元件均用光电元件。半导体光电元件不仅在民用工业领域中得到广泛的应用,在军事上更有它重要的地位。

例如用硫化铅光敏电阻可做成红外夜视仪、红外线照相仪及红外线导航系统等;把被测量转换成继续变化的光电流。利用光电元件在受光照或无光照射时"有"或"无"电信号输出的特性制成的各种光电自动装置

光电元件用作开关式光电转换元件。例如电子计算机的光电输入器,开关式温度调节装置及转速测量数字式光电测速仪等。

⑥ 光纤光栅传感器的应用

自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来,世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究,在短短的10多年时间里光纤光栅己成为传感领域发展最快的技术,并在很多领域取得了成功的应用,如航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域。
1、土木及水利工程中的应用
土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况.。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,可以用计算机对传感信号进行远程控制。
2、在桥梁安全监测中的应用
目前, 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等是这些桥梁体系的关键受力构件,其他土木工程结构的预应力锚固体系,如结构加固采用的锚索、锚杆也是关键的受力构件。上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况,因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。
加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993 年), 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测, 而这在以前被认为是不可能。德国德累斯顿附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的预应力混凝土桥, 德累斯顿大学的Meis-sner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中, 测量荷载下的基本线性响应, 并且用常规的应变测量仪器作了对比试验, 证实了光纤光栅传感器的应用可行性。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架桥的建造过程中, 使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测, 32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法- 泊系统进行信号解调。
2003年6月,同济大学桥梁系史家均老师主持的卢浦大桥健康检测项目中,采用了上海紫珊光电的光纤光栅传感器,用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。
施工情况:整个做桥检测项目的实施主要包括传感器布设、数据测量和数据分析三大步。在卢浦大桥选定的端面上布设了8个光纤光栅应变传感器和4个光纤光栅温度传感器,其中8个光纤光栅应变传感器串接为1路,4个温度传感器串接为1路,然后通过光纤传输到桥管所,实现大桥的集中管理。数据测量的周期根据业主的要求来确定,通过在桥面加载的方式,利用光纤光栅传感网络分析仪,完成桥梁的动态应变测试。
3、在混凝土梁应变监测中的应用
1989年, 美国Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中, 并描述了实际应用中这一研究领域的一些基本设想。此后, 美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。
在混凝土结构浇注时所遇到的一个非常棘手的问题是: 如何才能在混凝土浇捣时避免破坏传感器及光缆。光纤Bragg光栅通常写于普通单模通讯光纤上, 其质地脆, 易断裂, 为适应土木工程施工粗放性的特点, 在将其作为传感器测量建筑结构应变时,应采取适当保护措施。
一种可行的方案是:在钢筋笼中布置好混凝土应变传感器的光纤线路后, 将混凝土应变传感器用铁丝等按照预定位置固定在钢筋笼中, 然后将中间段用纱布缠绕并用胶带固定。而对粘贴式钢筋应变传感器一般则纯咐猛用外涂胶层进行保护。
2003年9月,上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光纤光栅传感应变计埋设于混凝土中对北京中关村某标志性建筑进行静态应变测量。上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光线光栅应变计具有精度高(一般为1με,如果是小量程的应变测量,可以达到0.5με)、可靠性高、安装方式多样、使用方便等优点,成功应用于北京中关村某标志性建筑中,布设在钢梁上并埋设在混凝土中对支柱钢梁进行施工过简灶程监测。
4、在水位遥测中的应用
在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器专门用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。传感器的精度可以到达±0.1%F·S。光纤安装在传感器内部,由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG,并反射符合布拉格条件的某一波长的光信号。当FBG与弹性膜片或其它设备连接在一起时,水位的变化会拉伸或压缩FBG。而且,反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。那么,根据反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。
5、在公路健康检测中的应用
公路健康监测必要性:
交通是与人们息息相关的事情,同样也是制约城市发展的主要因素,可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上,其中维护费用占据了很大一部分。即便是这样,每年仍然有大量公路遭到破坏,公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。,而破坏一般都是因为汽车超载,超速以及自然原因引起的,并且也和公路修建的质量有很大关系。所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。现在的公路一般分三层进行施工,分为底基层、普通层和沥青层,在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况,对公路质量进行实时监控。详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。

⑦ 光纤传感器的应用

绝缘子污秽、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流、光纤传感器可用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值和应变等物理量的测量。光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题,具有很大的市场需求。宽散主要表现在以下几个方面的应用:
城市建设中桥梁、慎洞氏大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力,从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。
在电力系统,需要测定温度、电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受电磁场的干扰,无法在这类场合中使用,只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术,分布式光纤温度传感颤谈系统不仅具有普遍光纤传感器的优点,还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力,利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度,定位精度可达米的量级,测量精度可达1度的水平,非常适用大范围交点测温的应用场合。
此外,光纤传感器还可以应用于铁路监控、火箭推进系统以及油井检测等方面。
光纤同时具备宽带、大容量、远距离传输和可实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点。光纤传感可以不断汲取光纤通信的新技术、新器件,各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。

⑧ 欧姆龙 光纤传感器 用在什么场合怎么用

应用于土木工程领域
随着光纤传感器技术的发展,在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用,用来测量混凝土结构变形及内部应力,检测大型结构、桥梁健康状况等,其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。
光纤传感器可以黏贴在结构物表面用于测量,同时也可以通过预埋实现结构物内部物理量的测量。利用预先埋入的光纤传感器,可以对混凝土结构内部损伤过程中内部应变的测量,再根据荷载-应变关系曲线斜率,可确定结构内部损伤的形成和扩展方式。通过混凝土实验表明,光纤测试的载荷-应变曲线比应变片测试的线性度高。
应用于检测技术
光纤传感器在航天(飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等)、航海(声纳等)、石油开采(液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量)、电力传输(高压输电网的电流测量、电压测量)、核工业(放射剂量测量、原子能发电站泄露剂量监测)、医疗(血液流速测量、血压及心音测量)、科学研究(地球自转)等众多领域都得到了广泛应用。
应用于石油工程
在石油测井技术中,可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量。较成熟的应用是采用非本征光纤F—P腔传感器测量井下的压力和温度。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理,当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变,光纤F—P腔的腔长也随之发生变化,通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量。
应用于温度测量
光纤传感技术是伴随光通信的迅速发展而形成的新技术。在光通信系统中,光纤是光波信号长距离传输的媒质。当光波在光纤中传输时,表征光波的相位、频率、振幅、偏振态等特征参量,会因温度、压力、磁场、电场等外界因素的作用而发生变化,故可以将光纤用作传感器元件,探测导致光波信号变化的各种物理量的大小,这就是光纤传感器。利用外界因素引起光纤相位变化来探测物理量的装置,称为相位调制传感型光纤传感器,其他还有振幅调制传感型、偏振态调制型、传光型等各种光纤传感器。
应用于测量金属丝杨氏模量
采用传感器测量仪代替光杠杆镜尺组组成新的杨氏模量测量系统,不仅操作简短,而且提高了测量结果的精确度和准确度。金属丝传统的拉伸法的基本原理是将金属丝受到砍码的作用力后的微小伸长形变量通过镜尺组的光路转换而将之放大若干倍数,从而得到微小伸长,再通过计算得到杨氏模量值。
而自从有的传感器,我们把光纤传感器测量新方法和上述方法对比,光纤传感器的测量在灵敏度、精确度及准确度上都有提高。红外光测距系统测量的基本原理为采用红外光光纤传感器直接测量微小位移,红外光光纤传感器对于3mm以内的微小距离测量的线性度是非常高的。系统由传感器测量仪与反射式光纤位移传感器组成.
反射式光纤位移传感器的工作原理是采用两束多模光纤,一端合并组成光纤探头,另一端分为两束,分别作为接收光纤和光源光纤。当光发射器发生的红外光,经光源光纤照射至反射体,被反射的光经接收光纤,传至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强与反射体距光纤探头的距离之间存在一定的函数关系,所以可通过对光强的检测得到位移量。在杨氏模量仪的金属丝处的圆柱体上利用磁铁固定镀镍反射金属片,使其能随钢丝伸长而移动。在支架台上固定红外传感器,而后在传感器测量仪上通过改变位移将实验得到的电势差值,通过多次测试,既转动传感器测量仪自带的螟旋测微仪,也即改变探头与金属片的距离和位置,当出现实验记录的钢丝仲长所对应的电势差值时,记录此时的螺旋测微仪读数。测试表明采用红外光测距此方法操作简单。只需将探头和反射片安装好后就可以直接开始在托盘上加法码实际测量了,侧量的结果是明显优于传统测试。

⑨ 分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用

本项研究受国家杰出青年科学基金项目(40225006)和国家教育部重点项目(01086)资助。

施斌丁勇索文斌高俊启

(南京大学光电传感工程监测中心,江苏南京,210093)

【摘要】分布式光纤传感技术,如布里渊散射光时域反射测量技术(简称BOTDR),是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术,应用非常广泛。本文着重介绍 BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等3个方面的应用。在工程监测过程中积累起来的大量监测数据表明,BOTDR分布式光纤传感技术,是一种全新而可靠的监测方法,它在工程实践中的应用为工程监测提供了一种新神羡带的思路,因而必将拥有一个广阔的发展前景。

【关键词】BOTDR光纤传感工程监测应变

1引言

随着人们对工程安全要求的日益提高,近年来,一批新式的传感监测技术得到发展,它们不是对传统传感监测技术简单地加以改良,而是从根本上改变了传感原理,从而提供了全新的监测方法和思路。其中,尤以 BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目,它利用普通的通讯光纤,以类似于神经系统的方式,植入建游芦筑物体内,获得全面的应变和温度信息。该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。这一技术在我国尚处于发展阶段,目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用,并逐步向其他工程领域扩展。

南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下,建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室,开展了一系列的实验研究,并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中,取得了一批重要成果,为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。

2BOTDR分布式光纤传感技术的原理

布里渊散射同时受应变和温度的影响,当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时,光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移,频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系,因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(vB)就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。BOTDR的应变测派册量原理如图1所示。

为了得到光纤沿线的应变分布,BOTDR需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱,也就是要得到光纤沿线的vB分布。BOTDR的测量原理与OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer)技术很相似,脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射,入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射,其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端,进入 BOT-DR的受光部和信号处理单元,经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布,如图1中(b)所示。发生散射的位置至脉冲光的入射端,即至 BOTDR的距离 Z可以通过式(1)计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量,就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图。

图1BOTDR的应变测量原理图

如图1中(c)所示,理论上布里渊背散光谱为洛仑滋形,其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移 vB。如果光纤受到轴向拉伸,拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变,通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。式中:c—真空中的光速;

地质灾害调查与监测技术方法论文集

n——光纤的折射率;

T—发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。

目前国际上最先进的BOTDR监测设备以日本 NTT公司最新研制开发的最新一代 AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪为代表。表1为AQ8603的主要技术性能指标。

表1AQ8603光纤应变分析仪的主要技术性能指标

3隧道安全监测

BOTDR分布式光纤传感技术在隧道方面的应用,目前已经在国内日渐成熟。我们在几条隧道变形监测系统的建设过程中,已形成了一整套的成功经验,为该技术在岩土和地质工程安全监测中的推广提供了坚实的技术基础。

3.1光纤铺设

为了使光纤精确地反映被测构筑物的应变状态,必须将之与构筑物紧密相连,铺设在结构物上。铺设的好坏,直接关系到监测的实际效果,因而在工程应用中,有着十分重要的意义。

根据光纤监测系统的设计原则,结合工程实际情况以及AQ8603应力分布式光纤传感器的特点,基本有以下两种铺设方法:全面接着式铺设和定点接着式铺设,如图2所示。

图2全面接着和定点接着

3.1.1全面接着式铺设

分别沿隧道纵深方向和横断面按全面接着方式布设传感光纤。沿纵深方向布设的传感光纤用于监测隧道纵向的整体变形情况,而沿横断面布设的光纤则是用于监测隧道横向的变形情况。

全面接着式铺设的特点是可以全程监测隧道的健康状况,监测对象为隧道整体,监测结果为隧道整体的变形情况。此种接着方式应用特定的铺设工艺,使用实验测定的效果优良的混合胶粘剂(以环氧树脂为主),将传感光纤按照设计线路粘着在混凝土的表面,并在传感光纤的末段接驳光缆,将监测信号传送至隧道监控中心。

3.1.2定点接着式铺设

此种接着方式的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在(或假定)变形处的变形情况。监测对象为变形缝等潜在(或假定)变形处,监测结果为变形缝等潜在(或假定)变形处的应力应变特征。此种接着方式的铺设方法大体等同于全面接着式铺设方式,所不同的是在设计施工面上选择一些特殊点进行粘着,即将光纤每隔1m至1.5m确定一个固定点,粘贴在混凝土墙面上,以此来检测隧道局部接缝处的变形(见图3)。在某些特点地点,根据实际情况,选择在特定的线路上在特定的位置安装接缝传感器,以监测变形缝的变形情况(见图4)。

图3隧道接缝布线示意图

3.2变形计算

由于引起隧道变形的原因比较复杂,有温度造成的构筑物热胀冷缩的整体变形,也有不同方向裂缝开裂和错动引起的局部变形,因此,将 BOTDR所测到的隧道的应变转换到变形,有时比较困难。因此比较可行的解决方法一是要合理地布置光纤监测网,分别监测隧道的整体应变和局部应变及其方向,结合变形特点,计算出构筑物的整体变形与局部变形;二是要采用相应的计算方法,将光纤的应变换算为隧道的变形。

图4接缝传感器示意图

例如,对于均匀应变,可以由下式计算变形:

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中:ε为应变,d为应变段长度,δ为变形。

对于不均匀变形,可以采用按一定间距定点接着的方式铺设光纤,两个粘结点间的应变近似地认为是均匀应变,按上式同样可以得到光纤沿线的不均匀变形。

如果隧道发生整体的不均匀沉降,可以按照挠度的计算方法(见式(3)近似计算它的沉降变形量:

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中:ε1、ε2分别为铺设在构筑物顶部和底部的两条光纤的应变,d为两条光纤的间距。

此外,结合数值模拟技术也可以实现变形的计算。可以将光纤的应变作为数值计算的边界条件或者已知条件,通过有限元或有限差分等计算方法,得到构筑物不同部位的各种变形。

总之,从隧道的应变转换到变形的计算常常比较复杂,但是只要通过合理地布置光纤监测网,采用正确的计算方法,隧道变形的计算是可以得到满意的结果。

4基坑变形监测

基坑变形监测是岩土工程领域的基本问题之一,基坑稳定性的重要性不言而喻。近半年来,课题组通过大量的室内外试验研究,将 BOTDR技术成功地应用到了南京市的几个深大基坑工程中,取得了一些十分有价值的成果。

众所周知,基坑变形原因复杂、类型繁多,但总体来说,主要是由基坑开挖引起的坑体水平位移问题和基底隆起问题。传统的监测方式,如土压力盒、测斜管等,由于自身传感方式的限制,往往有精度不高、抗腐蚀性差、损耗较大、浪费人力等缺点。课题组通过研究,成功地研制了一种具有专利技术的基于BOTDR技术的基坑位移监测分布式光纤传感系统(分布式光纤传感智能测斜管)。

图5基坑位移监测分布式光纤传感系统

如图5所示,利用传统的测斜管器件与先进的BOTDR技术相结合,开发出上述传感器。应用传统的测斜管器件的目的在于:①经传统方法验证,测斜管能够较理想地反映土体变形,是一种良好的材料;②测斜管自身带有卡槽,免去了人工开槽的工作;③该材料是常用的基坑监测材料,方便易得,比较经济;④应用与传统监测方式一致的材料,方便对新、旧技术进行类比。该系统的构成,简言之是将光纤按照一定的施工工艺,用经室内外试验和工程实践验证过的特殊的胶黏着在测斜管上,构成传感系统,我们称之为分布式光纤传感智能测斜管。该传感器具有分布式光纤传感器的一切优点,并可进行准实时监测。

应用BOTDR技术的分布式光纤传感器所得到的监测结果,是沿光纤传感器的轴向物理信息(应变、温度等),因此,如何获得沿光纤传感器分布的基坑水平变形量,也就成了问题的核心。经过研究,应用计算挠度的方法来近似计算基坑的水平变形量。

由材料力学相关知识可知,沿线各点的挠度可利用下式计算。

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中:εx为所求点的光纤实测应变,其值为沿测斜管两侧的两条光纤的应变差;d为粘贴在测斜管两侧的光纤之间的距离;积分起点为深部某无应变点,v(x)为各点的挠度,可以近似地认为是基坑的水平变形量。

5连续配筋混凝土路面检测

连续配筋混凝土路面(CRCP)是全部省略接缝的连续混凝土板,是为了减轻因接缝而引起的振动与噪音,或为改善平整度、提高行车舒适性而使用的路面。对于这种高性能的路面结构形式,其钢筋应力状态、混凝土应力状态和路面的裂缝分布是反映该路面使用性能的主要因素[8.9]。将 BOTDR这项优秀的无损检测技术应用于监测 CRCP路面钢筋、混凝土应力和路面裂缝,具有重要意义。

图6为BOTDR分布式光纤传感系统在连续配筋混凝土路面中的布置图。路面纵向钢筋共有11根。在其中9根钢筋上布设了传感光纤,温度补偿光纤4根,应变传感光纤5根,沿中心对称铺设。

图7为浇注混凝土开始5天内BOTDR检测的板表面混凝土应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向表面混凝土应变分布情况,而且可以根据最大拉应变的位置预测出路面可能产生裂缝的位置。如图中79m处最有可能出现裂缝。

图6光纤传感系统布置

图7板表面混凝土应变分布

图8为浇注混凝土开始5天内 BOTDR检测的钢筋应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向钢筋应变分布情况。在混凝土硬化这段时间里,钢筋应变不是均匀的,通过连续监测钢筋应变,有助于预测路面的使用性能。

本实验测试结果表明,BOTDR分布式光纤传感系统能够在线对连续配筋混凝土路面板中的钢筋和混凝土应变进行有效的检测。这说明BOTDR在路面板、桥面板及其他一些类似工程中具有良好的适用性及广阔的应用前景。

6结语

分布式光纤传感技术在我国尚处于起步阶段,虽然在隧道、基坑等部分领域取得了一定成功,但仍然有许多研究工作有待进一步开展,这包括两个方面,一是分布式光纤传感监测技术本身的进一步改良;二是要不断地解决在工程监测中的技术问题。可以相信,随着这一技术的不断研发和成熟,越来越多的大型基础工程将采用这一技术进行分布式监控和健康诊断,应用前景十分广阔,无法估量。

图8钢筋应变分布

参考文献

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⑩ 光纤检测技术在地铁工程中的应用

光纤检测技术在地铁工程中的应用有哪些呢,下面中达咨询招投标老师为你解答以供参考。
光纤检测技术是上世纪七十年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介、感知和传输外界信号(被测量)的新型检测技术,具有(准)分布式、长距离、实时性、耐腐蚀、抗电磁、轻便灵巧等优点,因而被广泛应用于航空、航天等领域。自20世纪90年代以来,美国、加拿大、日本、德国及英国等发达国家,纷纷将光纤检测技术应用于大坝、桥梁、电站及高层建筑物等大型民用基础设施的安全检测中,取得了令人鼓舞的进展,展示了光明的前景。光纤传感技术被国际上公认为结构安全检测最有前途、最理想的手段。正因为如此,光纤检测技术也引起隧道结构检测界的广泛重视,成为目前检测技术的研究重点。
1光纤检测的基本原理
1.1光纤及其结构
光纤(opticfiber),光导纤维的简称,一般由纤芯(core)、包层(cladding)、涂敷层(coating)和护套(jacket)构成,是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维。
光纤的一般结构如图1所示。纤芯和包层为光纤结构的主体,对光波的传播起着决定性作用。涂敷层与护套则主要用于隔离杂光,提高光纤强度,保护光纤。在特殊应用场合不加涂敷层与护套,为裸体光纤,简称裸纤。
纤芯直径一般为5~75μm,材料主体为二氧化硅,其中掺杂极微量其他材料,如二氧化锗、五氧化二磷等,以提高纤芯的化学折射率。包层为紧贴纤芯的材料层,其光学折射率稍小于纤芯材料。根据需要,包层可以是一层,也可以是折射率稍有差异的二层或多层。包层总直径一般约100~200μm。包层材料一般也是二氧化硅,但其中微量参杂物一般为三氧化二硼或四氧化二硅,以降低包层的光学折射率。
涂敷层的材料一般为硅酮或丙烯酸盐,一般用于隔离杂光和保护光纤,还能使光纤的机械变形量对某种外来作用量更敏感(增敏作用),或对外来作用量变得不敏感(退敏作用),以获首缓得待测量对光纤的最佳作用。
护套的材料一般为尼龙或其他芦芹返有机材料,用于增加光纤的机械强度,保护光纤。
1.2光纤传感器及其工作原理
光纤光栅传感器主要用Bragg光纤光栅或其它类型光纤光栅(如长周期光纤光栅、啁啾光纤光栅等)Bragg光纤光栅基本结构如图2所示,纤芯中的条纹代表折射率的周期性变化。所用光纤是一种在纤芯中搀有光敏材料(如锗、硼等)的特殊光纤。紫外曝光会使纤芯的折射率增加。光纤光栅就是利用光敏光纤的这一特性,用位相模板法或全息干涉法用紫外激光器将光栅从光纤侧面写入纤芯的。根据入射光、反射光、透射光及与之相关的能量和动量守恒定律得Bragg的反射波长。光纤传感基本原理图见图3。
1.3光纤检测系统的组成
光纤光栅检测系统主要包括光纤光栅传感器及传感测量两部分。传感测量部分主要包括探测光源即宽带光源或LED、光纤光栅波长分析器、光纤光栅波长和光强的光电接受放大、数据处理、网络控制和传输、计算机显示、输出及储存。
2测试方法及设备
2.1光纤传感器实际应用测试方法
首先根据测试对象(测试参数、测试范围、介质环境等)制作bragg光栅,并进行参数标定,然后将光栅进行套管封装。根据施工方陪饥案,将光栅和足够长度的光纤焊接在一起,光栅与传输光纤采用熔接法连接,焊接完毕后进行通光试验,检测连接质量。将光栅粘贴在测试部位,同时应对包层、涂敷层、护套进行粘贴或使用卡子固定。对光栅进行测量,做好标记和记录。
光栅测试根据不同的测试参数,采用不同的检测分析仪,如测量对象的应变量,可采用光纤光栅应变传感测试仪。光纤光栅应变传感测试仪集探测光源、光纤光栅波长分析器、数据处理、网络控制和传输等于一体,可实现监测数据的现场和远程采集,并可对测试数据进行在线分析。
2.2所用设备
2.2.1光纤
见图1。
2.2.2光纤传感器
光纤光栅传感头主要用Bragg光纤光栅或其它类型光纤光栅(如长周期光纤光栅等)。Bragg波长随温度T或应变ε的变化而变化。温度T和应变ε可以是很多不同的物理量(如压力、形变、电流、电压、振动、速度、加速度、流量等等)的函数,故而测量光栅反射波长的变化就可以计算出相应的待测物理量的变化。
目前地下工程中常用的光纤传感器有温度传感器、混凝土应变传感器及钢筋应力传感器。
3地铁工程中的应用
结合国内某暗挖地铁车站隧道,利用光纤检测技术对隧道开挖时的初期支护进行检测,内容主要围绕初支的内力展开,通过对初支的内力监测,探讨隧道初期支护及其周边围岩压力的变化规律。共选取了温度、喷射混凝土应变以及初支钢拱架内力三个项目进行检测。
检测断面及测点布置如图7。
每个断面设计铺设6个钢筋应力计传感器、2个混凝土应变计和1个温度传感器,其中钢筋应力计传感器留有2个冗余。其中每个拱架的外侧(和围岩接触)焊接2个钢筋应力计,位置约在三分之一处;2个混凝土应变计对称埋设在拱顶;温度传感器直接放在边墙上。每个传感器的信号传输光纤都经过熔接,并从初支两边墙引出后进行串连。共埋设了两个断面进行测试比较。
光纤传感器现场焊接及保护情况见图8,隧道现场安装见图9。
断面埋设完毕后,历经两个月的测试,取得了大量的测试数据,在地铁工程中,光纤检测技术取得了成功,达到了较好的效果。
4结论与展望
光纤检测技术以其独特的优势在检测界备受青睐,引入我国仅仅几年时间就在多个领域得到推广应用。本次在城市地铁工程中的成功应用,更显示出光纤传感器测试数据稳定、漂移小等优点,历经三个月地下水侵蚀,未出现因传感器腐蚀而破坏或数据大幅漂移现象。证实了光纤传感器耐腐蚀,能够在恶劣环境下长期监测等特点。在我国地铁建设日新月异的今天,光纤检测技术必将发挥更大的作用。通过本次应用,也发现了在光纤传感器的国产化、标准化、仪器设备的便携化以及现场传感器的保护方面尚有不足,需要进行更多更深的研究。

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