布拉格光栅光纤传感已成为监测恶劣环境中分析结构健康的有效解决方案,可实时分析结构应力和应变,研究结构对于载荷的响应,这得益于光纤非常轻巧且不受电磁干扰,并能抵抗极端温度和耐受性化学
腐蚀的you点。
布拉格光栅光纤传感结构监测背景
理解工程结构如何响应载荷及其环境对于其设计成功和可靠的运行至关重要。在高峰期分析桥梁中的应变，应力，温度和挠度，在暴风雨期间分析复合材料飞机的翼梁，或在环法自行车赛期间分析高端自行车，工程师可以预测结构的使用寿命，提高其安全性，并you化其性能。有了从设计初期到产品生命周期结束的全部数量的全貌，设计师无疑将创造出*安全，*强大，*高效的工程结构。 辅光仪器公司的分布式光纤传感系统可有效监测应变，温度，应力，平面偏斜和三维形状。
布拉格光栅光纤传感结构监测原理
光纤传感系统中的传感器件是布拉格光栅,采用高强度的紫外激光来局部破坏单模光纤纤芯中的硅氧键而制成,这些断裂的键所造成的破坏降低了光穿过内核的速度，增加了它的折射率。当这一过程在短距离内沿光纤周期性地进行时，就产生了布拉格光栅。布拉格光栅可通过反射特定波长,起到选择性光学反射镜的作用。布拉格光栅的周期性决定了它反射的波长。因此，当这些光纤被拉伸、压缩或热膨胀时，光栅的周期性及其反射波长成比例地改变。布拉格光栅利用光源对其进行解析，利用探测器对反射信号进行检测，将普通光纤转变为稳健的无源应变计热电偶。布拉格光栅传感系统已经产生了20多年。结合光纤光栅和反射光信号解调技术（如波分复用（WDM）或时分复用（TDM））的现成仪器由一些成熟的制造商提供。然而，与这些技术相关的严重处理限制阻碍了它们在电信行业之外的广泛应用。例如，波分复用要求单个光纤上的每个光栅都能反射。
为了适应应变和温度变化引起的预期位移，每个布拉格光栅还必须分配其自己的波段。这限制了单个光纤上可用的传感器数量，因为光源的带宽有限。另一方面，TDM允许在同一波长写入光栅，但这明显限制了处理速度，因为在一根光纤上增加了传感器的数量。与波分复用相关联的低传感器计数和与时分复用相关联的低采样率对于其他应用是有用的，但对于大规模分布式传感是无效的。
这些障碍已经被美国航天局和Sensuron合作开发的技术所克服。他们共同开发并实现了一种新的处理技术，扩展了现有布拉格光栅技术的能力。Sensuron随后授权了该**技术，并将其集成到一种称为RTS150的现成产品中。这种多通道光学传感仪器能够以比以前的布拉格光栅系统*高的速率询问*多的传感器。利用zui新发展的解调技术，工程师现在可以同时监测多达65536个光学应变计和热电偶，每一个都是每秒100个样品。这为分布式光学传感解决大量结构问题创造了机会。
布拉格光栅光纤传感结构监测应用
定义结构状态的基本物理参数是应力和应变。这些数量决定了一座桥是否会坍塌，一个加压的水箱是否会爆裂，或者一架飞机能继续服役多久。传统上，大型复杂结构（如飞行器和航天器）中的应力和应变是用工程师用来模拟不同载荷情况的各种有限元方法（FEM）来确定结构的可靠性的。有限元模型也用于确定临界点，以便在测试和运行期间使用传统的箔式应变计进行监测。
虽然有限元方法已经成为结构工程领域的一项突破性技术，但在实际应用中还存在一些问题。随着新材料和新技术的发现和引入，现代结构变得越来越复杂。尽管如此，有限元模型通常被简单地认为是准确的，并且任何验证都是使用仅位于几个离散点的应变计来完成的。任何一个实际的工程师都知道，在任何两个离散的传感点之间都可能发生许多意想不到的事情。分布式光学传感使工程师能够精确地确定在连续传感长度上发生了什么，并获得有限元样的实验数据
Sensuron的RTS125监测沿多条光纤的连续应变分布，以便准确可靠地定位、量化和跟踪结构损伤。
光纤可以沿着翼梁的整个长度应用，缠绕在门窗等应力集中器的周边，或者应用于大平面截面的网格中，以获得结构实际行为的*详细的图片。由于能够在整个结构部件上以小于1毫米的空间分辨率感测应力、应变和温度，这项新技术为有限元模型的微调提供了手段，有助于建立对模型精度的zui大信心。
这项新技术也使飞机外测量成为设计和操作的关键因素，工业界继续朝着*轻、*灵活的结构发展。过去大多数传感仪器只能提供平面数量。应变计和传统的光纤布拉格光栅系统只能沿着结构元件的主要方向感测应变。通过沿梁的长度或在板或壳的平面上进行的测量，很容易获得机械应力和平面变形。然而，对于获得结构的分布面外测量，如挠度或应用，很少有解决方案。
分布式光纤传感也为碳纤维复合材料提供了新的解决方案。他们独特的制造工艺使得布拉格光栅传感器可以很容易地嵌入到结构中。这项技术使高度灵活的复合材料结构从早期设计阶段到运行生命周期结束都能进行实时嵌入式监控。光学传感的小空间分辨率和高应变精度使工程师能够发现、定位、量化和跟踪碳纤维复合材料表现出的各种复杂失效模式。层间分层、基体开裂、纤维断裂和纤维屈曲等异常都会在其起源处产生应力和应变集中。由于Sensuron和NASA的新技术将整个纤维长度转变为一个连续的应变计，这些浓度沿纤维的输出应变曲线变得明显。随着分层或裂纹在不断增加的载荷或疲劳下的扩展，裂纹前沿的集中点可以沿着纤维进行跟踪，并在沿途的每个点进行量化。
光纤还可以抵抗从低温到数百摄氏度的温度。这使得在复合材料制造的高温固化阶段能够监测嵌入纤维，以确定贯穿厚度的残余应力和应变。基于这些原因，对复合材料结构的连续监测可能是一个深远的进步。例如，商业航空公司将始终知道关键部件的疲劳损伤状态，使它们能够微调维护计划，并将飞机停机时间降到zui低。其他行业还可以从结构或结构组件（如复合材料转子叶片、蒙皮、横梁和压力容器）的物理状态知识中获益。
传递函数已经被开发出来用于这项新技术，该技术利用沿纤维与结构组件结合的高空间密度平面应变测量。这些算法可实时产生平面外挠度和施加荷载。当应用于翼梁时，工程师可以同时获得沿其长度的应变和飞机机翼的挠度。这可以提供有关颤振、固有频率和振型、提升荷载和内部应力的信息。
连续光纤三维形状传感是分布式光纤传感的又一新应用。这些形状传感器可以精确地确定与直线的偏差，也可以将其操作成半径小于半英寸的复杂形状，并具有紧密的扭曲和弯曲。这种独特的应用有利于石油工程、石油管道堵塞的定位和检测、卫星技术、天线在多个方向上的复杂弯曲等领域。虽然2D形状传感解决方案要求将光纤电缆连接到底层结构，但3D形状传感器是一个独立的实体，可以自己使用，也可以与现有结构（例如用于侵入性手术的导管）集成。直径小于450微米，这些传感器可以穿过复杂的、紧密转动的轨道，如动脉、管道和挖掘钻孔，以精确确定其路径形状。这使得记录人类肢体运动的精度远远超过当前数字图像相关技术所允许的精度。此外，可以跟踪水下船只的系绳形状，并用于确定船只的位置，以及系绳是否缠绕在看不见的障碍物上。
Sensuron光纤传感系统的未来在于小型化和速度化。随着审讯系统规模的缩小，其申请数量增加了10倍。到2014年，下一代产品将是一个5英寸的立方体大小，很容易安装在一个典型的飞行仪表盒。在如此小的重量损失下，未来每一架商用客机都可能被分布式光纤传感系统持续监控。此外，这种系统可以安装在世界各地每一个风力涡轮机的外壳中，以持续监测叶片形状和结构完整性。Sensuron打算进一步缩小设备的尺寸，使之相当于一副扑克牌。
另一个需要跨越的是样本率的数量级增长。虽然Sensuron的光学传感仪器目前的速度已经落后于过去的光纤传感技术，但该公司着眼于传感转子叶片等高频振动。与连续传感能力相结合，高采样率也将使低工程师以全新的方式研究应力波的传播。
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