光纖傳感器陣列的配置和安裝

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

    傳感器或傳感器陣列可以單獨使用，或者采用熔接機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)儀的同一個光通道，但必須注意傳感器波長的選擇、電纜長度和熔接對信號造成的功率損失等。

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，波長信號不重疊的情況下，所有傳感器都可以連接到光纖解調(diào)儀的同一個光通道上。下面給出的提示適用于光纖應(yīng)變測量，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、測量范圍

不同傳感器封裝會限制他們的測量范圍。在選擇傳感器類型時，測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。安裝方式會影響安裝的速度和成本，也可能會排除其他選項。在金屬結(jié)構(gòu)上安裝傳感器時，焊接是一種快速有效的方法，因為無需等待粘合劑固化。對于復(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，因為鉆孔會損壞光纖，但對于混凝土或金屬結(jié)構(gòu)來說，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。有些傳感器采用實驗室電纜，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)境中就不需要進一步保護。

d、 電纜彎曲半徑和長度

HBM光纖應(yīng)變傳感器分為兩個系列，兩個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，且不會造成顯著的光學(xué)損失。

e、 工作溫度

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

f、溫度補償

基于FBG的應(yīng)變傳感器對溫度變化敏感，建議進行校正。HBM FiberSensing為無熱化應(yīng)變傳感器提供了*的解決方案，消除了溫度變化對FBG波長的固有影響(而不是試樣的熱膨脹)。選擇這種應(yīng)變傳感器時，不需要進行溫度補償。而對于其他應(yīng)變傳感器，可通過以下方式進行溫度補償，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行溫度測量，通過傳感器的熱交叉靈敏度（如數(shù)據(jù)和校準表上所述）和基材的熱膨脹，進行應(yīng)變測量校正
• 光纖補償元件：對于某些應(yīng)變傳感器，可以使用溫度補償FBG傳感器進行溫度補償
• 使用另外僅測量溫度引起應(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，對溫度引起的應(yīng)變進行補償
• 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，信號不同的信號：傳感器在這種推拉結(jié)構(gòu)下工作時，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。

2. 波長選擇

傳感器之間的布拉格波長距離定義了兩個傳感器的大測量范圍，因為如果信號重疊，測量將受到影響。每個傳感器的使用波長范圍取決于其測量范圍，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)波長偏移。

從傳感器的中心波長（λ0）開始，保留的波長范圍是從小可能到大可能值之間的波長值：

• FS line傳感器波長間隔為6.4 nm
• OP line傳感器波長間隔為5 nm

3. 控制光損耗

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

a、連接器與熔接

當測量鏈中連接光纖應(yīng)變傳感器時，可以使用兩種連接：連接器與熔接。連接器更容易在現(xiàn)場使用，然而，它們對光信號造成更高的損耗，并且隨著時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)過培訓(xùn)的專業(yè)人員和更長的安裝時間。為了盡可能縮短安裝時間，同時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、 光纖類型和長度

兩個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)不會產(chǎn)生大的信號衰減，適合長距離傳輸。而OP Line信號衰減較大。當兩種類型的光纖連接在一起時，即使通過熔接方式，也會在接口上產(chǎn)生很高的損耗，從而限制不同類型的光纖在測量鏈中使用的次數(shù)。

c、傳感器反射率

FBG傳感器的測量原理是基于入射光的反射光譜。反射回來的信號是入射光的百分比。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%。在計算損耗時，還應(yīng)考慮傳感器的反射率。

d、光纖解調(diào)儀的動態(tài)范圍

光纖測量鏈上的允許損耗由光纖解調(diào)儀的可用動態(tài)范圍決定。動態(tài)范圍可以看作是光譜的信噪比測量。受損信號一旦大于或接近動態(tài)范圍，解調(diào)儀將無法獲取。應(yīng)仔細檢查傳感器, 解調(diào)儀和附件技術(shù)特性，以優(yōu)化光學(xué)測量鏈性能。

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