基于光纤布拉格光栅（FBG）的光学测量链介绍

大型昂贵的结构，如隧道、桥梁和管道，需要定期、经济高效地监测其结构完整性。这确保了安全性和可靠性。

结构健康监测（SHM）在这里起着至关重要的作用[1]，因为它采取主动的维护和监测方法，而不是等待损坏发生然后进行修复。这种主动的方法可以节省资金，防止结构意外停机。

但是，由于成本、对使用哪些传感器的混淆以及难以解释应变数据等原因，在主要基础设施中安装可靠和准确的结构健康检测系统的需求往往被忽视。当应变引起的结构损伤发生时，这会成为一个问题。而且这种情况确实经常发生，因为民用基础设施会受到持续的负载和环境因素的影响，随着时间的推移，这些因素会导致磨损和退化。

例如，由于交通需求的增加以及气候变化和恶劣天气条件，桥梁的结构会恶化[2-3]。不良的施工方法、地震活动和附近的建筑也起到了作用[4]。如果没有持续的监测，就无法检测或预测故障和结构问题，从而导致灾难。事实上，在美国，每座桥梁都需要每两年进行一次目视检查，以防止出现此类结构问题[5]。

但根据ASCE 2017基础设施报告卡，美国近10%的桥梁存在某种结构问题，这使它们变得脆弱[6]。在加拿大，大约75000座公路桥梁中有近三分之一存在结构缺陷[7]。未能识别和处理这些结构性缺陷可能会导致高昂的维护成本、当地基础设施的关闭，以及最坏的情况 — 结构倒塌和人员死亡。因此，经济高效地监测基础设施磨损的技术市场巨大[8]。

自20世纪40年代以来，电阻应变计一直是结构应变监测的基准[9]。但电阻应变计存在某些限制，有时会阻碍简单可靠的测量。

例如，所需的电缆数量可能是一个挑战。这是因为布线成本高昂，当用于具有许多测量点的大规模结构时，许多电缆可能变得难以管理[10]，尽管存在测量数百米距离电阻应变的技术解决方案，并且这两种技术都可实现[4]。

基于光纤布拉格光栅（FBG）技术的光学传感器为传统的电气测量链提供了一种有吸引力的替代方案。

这是因为FBG技术具有在单根光纤中安装多个传感器、整体轻量化无源设计和低衰减等优点，可以实现长距离安装。这项技术也不受电磁干扰（EMI）的影响，传感器比电子应变计更环保（因此可以承受恶劣的条件）。当涉及到中高通道和总拥有成本时，它们的价格也更具竞争力[12,13]。

由于FBG技术可以很容易地与供应商的软件一起使用，也可以集成到任何个人电脑中，因此随着时间的推移，FBG技术已经获得了很大的市场份额。它现在用于广泛的传感应用[13]。

例如，它用于土木工程中的不同健康监测应用，包括公路和铁路基础设施，也用于地质结构、石油和天然气、海洋工业中船舶的船体监测、航空航天结构和汽车温度验证。

对于一个完整的光学测量链，拥有合适的传感器只是解决方案的三分之一。您还需要合适的光学解调仪和合适的软件来获得整体可靠的结果。

这三个部分 — 传感器、询问器和软件 — 构成了你的光学测量链。

简而言之，传感器是测量或“感测”应变、温度、加速度、力甚至倾斜的东西。光学解调仪也称为数据采集系统。这是一种光电仪器，可以“读取”FBG传感器。该软件允许您查看、记录和分析您的测量数据。

以下是在选择基于FBG技术的合适光学传感器时要问的一些问题和要注意的事项：

• 传感器将安装在哪里，首选的安装方法是什么？传感器可以根据其设计进行螺栓连接、焊接或胶合，这意味着首选的安装方法可能会缩小您的选择范围。例如，在金属结构上，直接的选择是点焊，但如果结构是液化天然气储罐（危险环境），我们可能不得不切换到表面上的胶合传感器。
• 每个位置的预期测量范围是多少？那么抗疲劳性呢？不同的传感器具有不同的测量和疲劳极限。所需的测量可能会限制可选择的传感器数量。
• 您的安装团队的专业水平如何？传感器和传感器阵列可以带插头交付，无需使用特殊工具或培训即可直接安装，也可以不带插头提供更大的灵活性。但这也需要一个团队准备好在现场进行拼接连接。
• 传感器将受到什么环境的影响？它们需要绝缘吗？他们需要加固电缆吗？不同的传感器在传感器本身和电缆上提供不同的保护级别。

请记住，您的解调仪旨在测量传感器生成的值。以下是在选择审问者时需要注意的几点：

• 所需的采样率是多少？要使用的模型的决定因素之一是设备的采集速率。
• 波长测量所需的绝对精度是多少？在FBG传感器上，分辨率和绝对精度不仅可以通过与校准程序相关的误差来确定，还可以通过解调仪的分辨率和精度以及传感器的灵敏度来确定。一些仪器包括一个绝对的NIST可追溯参考，可确保在确定每个FBG的波长时具有更高的精度。
• 有多少光纤布拉格光栅需要测量？解调仪的可用波长范围以及光学连接器的数量对应于系统的测量能力。每个设备可以测量的传感器数量取决于几个因素：
  • 相对于设备的可用波长范围，每个传感器进行完整测量所需的波长范围
  • 由于与设备动态范围相关的连接和布线，传感器线路上的光学损耗
  • 设备的处理能力
• 您是在寻找连续运行的工业设备，还是在测试或安装过程中使用的系统？带有电池和内置计算机的设备可能是测量的更好选择，因为它们时间短，空间分开。其他设备有不同的外形尺寸，非常适合安装在19英寸机架上。
• 您的系统需要什么级别的软件复杂性？并非所有软件都与所有类型的解调仪兼容。

在选择软件时，以下是一些重要的考虑因素：

• 软件界面的用户友好程度如何？需要什么样的视觉反馈？笨重且难以使用的软件可能会给您带来不必要的麻烦，而且任何软件或驱动程序都不需要专家开发团队来操作设备。
• 你如何需要这些数据？是否需要云存储和物联网流媒体？你能把数据放在USB驱动器上吗？
• 测量系统上是否有更多需要同步测量的设备？更复杂的软件允许组合多个设备（包括不同类型的设备），而更简单的软件仅限于单个设备。
• 软件是否是唯一应用程序所必需的？通用软件系统对于移动现场使用和实验室台架测试同样可靠。
• 操作员熟悉英语吗？并非所有软件选项都有不同的语言版本。

基于布拉格光栅技术的传感器比传统电阻应变计具有许多优点。这两种传感器类型在各种应用中也可以相互补充，从民用基础设施和航空航天到实验室测试和能源工业。

但要利用这些优势，您需要为您的光学测量链选择合适的传感器、解调仪和软件。我们希望这篇简短的入门文章可以帮助工程师和系统集成商在准确可靠的应变测量方面做出正确的决定。