张工聊光纤 | 如何轻松设计一个基于光纤光栅的测量链

张工说

上期我们介绍了在结构健康监测中，基于光纤光栅的光学测量链的优势 。

这期我将向您展示如何轻松设计一个典型的基于光纤光栅的测量链。

光学测量链：SHM的完整包

对于一个完整的光学测量链，拥有正确的传感器只是解决方案的三分之一。还需要有合适的光纤解调仪以及合适的软件，才能获得总体可靠的结果。传感器、解调仪和软件这三个部分构成完整的光学测量链。

• 传感器是用来测量或“感知”应变、温度、加速度、力甚至倾角的。

• 光纤解调仪（链条中的第二个组件）也称为数据采集系统。它是一个光电仪器，可以“读取”FBG传感器。

• 软件是让你查看、记录和分析你的测量数据的。

那么在选择这些组件时应注意些什么呢？

1. 传感器 

以下是在选择基于FBG技术的正确光学传感器时要问的一些问题和注意事项：

• 传感器要安装在哪里，首选的安装方法是什么？传感器可以采用螺栓固定、焊接或胶合，主要取决于其设计，这就意味着首选的安装方法可能会缩小你的选择范围。例如，针对金属结构会直接选择点焊，但如果结构是液化天然气罐（危险环境），就必须改为将传感器胶合于表面。

• 每个地点的预期测量范围是多少？那么抗疲劳性如何？不同的传感器有不同的测量极限和疲劳极限。要进行的测量可能会限制可选择传感器的数量。

• 你们安装团队的专业水平如何？传感器和传感器阵列交货时可以带插头，可直接安装，无需使用特殊工具或培训，也可以不带插头，具有更大的灵活性。但也需要一个团队，随时准备在现场进行接头连接。

• 传感器将在什么环境下工作？它们需要是绝缘的吗？它们需要加强光缆吗？不同的传感器在传感器本身和光缆上提供不同的保护等级。

2. 解调仪 

记住，你的解调仪是用来测量你的传感器所产生的数值的。以下是选择解调仪时需要注意的几点：

• 需要的采样率是多少？使用哪种型号的一个决定性因素是设备的采集速度。

• 波长测量所需的绝对精度是多少？在FBG传感器上，可以确定分辨率和绝对精度，不仅可以通过与校准程序相关的误差确定，还可以通过解调仪的分辨率和精度与传感器的灵敏度相结合来确定。有些仪器包括一个绝对的NIST可追溯基准，确保每个FBG的波长测定精度更高。

• 有多少光纤光栅要测量？解调仪的可用波长范围和光学连接器的数量对应于系统的测量能力。每个设备可测量传感器的数量取决于多个因素：

  - 相对于设备的可用波长范围而言，每个传感器进行全面测量所需的波长范围

  - 相对于设备的动态范围而方言，连接和布线造成的传感器线路上的光学损失

  - 设备的处理能力

• 你是在寻找一个连续运行的工业设备，还是在寻找一个在测试或安装期间使用的系统？带电池和内置计算机的设备可能是测量的更好选择，因为测量时间短，空间分散。其他设备有不同的外形尺寸，从而非常适合安装在19英寸机架上。

• 你的系统需要何种程度的软件复杂性？并非所有的软件都能与所有类型的解调仪兼容。

3. 软件 

这里是选择软件时需要考虑的一些重要事项：

• 软件界面的用户友好程度如何？什么样的视觉反馈是必要的？笨拙、难以使用的软件会给你带来不必要的麻烦，而且没有任何软件或驱动程序需要专业开发团队来操作设备。

• 你需要如何存储这些数据？是否需要云存储和物联网流？你会把数据放在U盘上吗？

• 测量系统上是否有更多的设备需要同步测量？较复杂的软件允许与一个以上的设备（包括不同类型的设备）结合使用，而较简单的软件仅限于一个设备。

• 该软件是否针对某个独特的应用？一个多功能的软件系统在移动现场使用和实验室台架测试中可以同样可靠。

• 操作人员是否熟悉英语？并非所有的软件选项都有不同的语言版本。

结论

基于光纤光栅技术的光学传感器与传统的电阻式应变片相比有许多优势。从民用基础设施和航空航天，到实验室测试和能源等各种应用中，这两类传感器都可以相互补充。但是为了利用这些优势，就要为光学测量链选择正确的传感器、解调仪和软件。希望这两期内容能够帮助一些工程师和系统集成商，在涉及到准确和可靠的应变测量时做出正确的决定。