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      干貨分享 ▎分布式超弱光柵傳感技術及其工程應用

      時間:2022-2-21    來源:    查看次數:3125

      分布式超弱光柵傳感技術及其工程應用


           光纖傳感器具有精度高、復用性好、輕便、耐腐蝕、抗電磁干擾等優點,被廣泛應用于土木工程、結構健康等監測。目前主流的光纖傳感技術有分布式和準分布式兩種,前者如BOTDR/A、DTS,后者以FBG最具代表性。隨著社會的發展和科技的進步,人們對光纖傳感器的復用容量、感測方式、測量精度、可靠性的要求也越來越高。經過近30年的發展,FBG的優異特性已獲得業界的認可。但傳統FBG的復用容量小,可靠性差,制備和敷設工藝復雜,難以滿足大容量工程監測的需要。如何突破FBG技術的限制,構建大容量FBG傳感物聯網絡,通過多點、多參數、全場景檢測達到監測工程健康狀態檢測,已成為世界各國科研人員研究的重點。

      超弱光纖光柵傳感器

            目前,一種新型的超弱光纖光柵傳感器(uwFBG)在工程中被廣泛應用,它通過在單模光纖上大量制備反射率低于0.1%的超弱光纖光柵(以下簡稱“超弱光柵”)等微結構,準分布式和分布式感知外界信息,實現地質工程、結構健康、災害預警、周界安全等的監測。uwFBG繼承和發揚了傳統FBG傳感器無源、抗干擾、響應速度快等優點,單光纖上可復用上萬個傳感單元,可智能定位和感知被測對象上的應力/應變、溫度、振動等多個參數,有望逐步取代傳統的FBG、BOTDR/BOTDA、DTS,成為工程物聯網的重要載體。

      表1 集中主流技術的對比


      技術原理

      采用先進的激光微加工技術在光纖上刻寫周期性的微結構,形成低反射率的光纖布拉格光柵,即uwFBG。當入射光進入uwFBG陣列中,在滿足布拉格反射條件的情況下,就會選擇性的反射部分光信號。如果uwFBG受到外部物理場(如應力/應變、溫度、振動等)的作用時,反射光的波長也隨之發生變化。通過實時檢測各個uwFBG反射光波長變化的大小就可以確定傳感光纖上物理量的變化。由于uwFBG的反射率極低,允許在同一根光纖上刻寫上萬個相同或不同波長的uwFBG,融合FPGA硬件和多域信號處理算法,實現多點、多參量、全場景的檢測。


      圖1 uwFBG的在線制備工藝

      測試效果


      圖2  uwFBG檢測效果

      技術優勢

      uwFBG與傳統的傳感器以及普通的FBG相比,具有以下顯著優點:

      (1) 復用能力強。由于應用新一代的超弱光纖光柵傳感器,其具有超低反射率,可實現單根光纖上復用幾千個超弱光纖光柵傳感器。

      (2) 高分辨率、高靈敏度,高可靠性。應變精度優于1με,溫度精度優于0.1℃;波長解調,不受光強變化的影響;拉絲塔工藝或飛秒自動刻寫,無需剝皮熔接,機械強度高,損耗低;

      (3) 準分布式/分布式兼容,可監測溫度/應變/振動等多參量,適合于監測點數多,長距離,大范圍的信號監測,易于組網構成分布式監測系統。

      (4) 耐腐蝕,抗高溫、抗老化。由于其主要成分是SiO2,結構穩定;無需載氫,微結構的長期穩定性好;在線拉絲工藝制備,去除。

      (5) 成本低,性價比高。原材料容易獲得且充足,價格低廉;工業化制備,生產效率高,日產可達數萬只。

      質輕、體積小、可塑性好,抗干擾能力強。由于光纖本身的材質優勢,使其具有柔軟,韌性強,半徑小,不容易折斷,使用時受空間環境的約束小。由于傳輸信號為光信號,不會受到電磁輻射的干擾。


      圖3  光纖傳感的發展趨勢


      在諸如石油、化工、煤炭、航空航天、電力系統領域,由于其環境屬于易燃易爆,在電力系統領域,其環境具有電磁輻射嚴重的特性,為保證這些領域工程的可靠安全,需要安裝成千上萬個監測點,構建傳感網絡實現對這些工程領域的各個部分溫度的監控,當發生溫度異常時,及時發現并確定位置所在,以便迅速采取措施來解決問題,上述的諸多優點使uwFBG成為大型工程領域或者復雜機械系統動態監測很好的選擇,具有很好的應用前景。


      瑞科(廣州)儀器科技有限公司

      這次推出的超弱光柵傳感產品主要包含以下內容:

      HT-UWFBG-01 ?250μm 弱光柵陣列


      這是一種基于拉絲塔自動化刻寫工藝制備的超低反射率光纖布拉格光柵陣列。這種陣列采用相位掩模的方法把多個反射率在0.01%~0.1%的光柵刻寫在一根光纖上,允許根據用戶的需求定制光柵波長和光柵間距,整個光柵陣列無需剝皮和串聯熔接,機械性能優良,插入損耗低,適合于長距離和多點同時測試。主要應用于分布式應力傳感、結構變形監測和反演及高精度鏈式溫度傳感。

      HT-UWFBG-02 ?195μm 弱光柵陣列


      這是一種超低反射率光纖布拉格光柵陣列。采用拉絲塔工藝制備,把多個反射率0.01%~ 1%的光柵刻寫在一根光纖上,再涂覆高性能的改性有機陶瓷。這種陣列具有超大的應變范圍(>5%)、優異的耐溫特性(+/-200℃)、耐候性好,允許根據用戶的需求定制光柵指標和光柵間距,全陣列無需剝皮和串聯熔接。主要應用于高寒區域的大量程分布式應力傳感和耐高溫光纖溫度傳感。


      HT-UWFBG-03 ?250μm 弱光柵陣列


      這是一種基于飛秒或拉絲塔刻寫工藝制備的低反射率光纖布拉格光柵陣列。這種陣列把多個反射率在0.001%~1%的光柵刻寫在一根聚酰亞胺涂層(或普通丙烯酸酯涂層)的光纖上,允許根據用戶的需求定制光柵指標和光柵間距,全光柵陣列無需剝皮和串聯熔接,耐高溫(+/-300℃)和機械性能優良,適合于中等距離的多點同時測試。主要應用于大量程分布式應力傳感和耐高溫光纖溫度傳感。

      HT-UWFBG-04 ?900μm 弱光柵陣列


      這是一種采用免剝皮工藝制備低反射采用特殊涂覆及緊包工藝制作直徑900um的光纖。這種陣列采用相位掩模的方法把多個反射率在0.01%~1%的光柵刻寫在一根光纖上,允許根據用戶的需求定制光柵指標和光柵間距,整個光柵陣列無需剝皮和串聯熔接,具有較高的機械強度和抗拉伸能力,應變量大于30000με。主要應用于分布式應力傳感系統、金屬結構和工程實驗模型的布設。

      HT-UWFBG-05 應變光纜


      這是一種高精度的超弱光柵應變傳感。這種光纜內置免剝皮刻寫的超弱光纖光柵陣列,單纖上復用上萬個反射率在0.01%~1%的光柵傳感器,經過預應力封裝和金屬鎧裝后成纜,允許根據用戶的需求定制光柵指標和光柵間距, 全陣列無需剝皮和串聯熔接,具有很好地野外適應性,易于工程布設。主要應用于土木工程的應變監測(如隧道收斂、樁基、裂縫、地表沉降等監測)、野外滑坡監測、大型鋼結構變形及載荷監測。


      HT-UWFBG-06 感溫光纖光纜


      這是一種高精度的超弱光柵溫度傳感光纜,含0.17mm/1.8mm/3.0mm三種規格。這種傳感器采用免剝皮工藝把多個低反射率光柵刻寫在一根光纖上,允許根據用戶的需求定制柵指標和光柵間距,再通過特殊的免應力封裝后,制成測溫光纜,具有較高的機械強度,易于現場布設,適合于高精度溫度測量。主要應用于分布式火災報警系統(如隧道、地鐵、石化設施等)、大型設施的溫度場實時分析及告警(如武器庫、天文觀測儀、鋰電池倉庫等)、水溫監測的高精度鏈式溫度傳感器。

      HT-UWFBG-07 GFRP光纖加強筋


      這是一種高強度的超弱光柵溫度傳感光纜,含1.0mm/2.0mm兩種規格。這種光纜的傳感器采用免剝皮工藝把多個低反射率光柵刻寫在一根光纖上,允許根據用戶的需求定制光柵指標和光柵間距,再通過特殊的免應力封裝后,制成測溫光纜、應變光纜,具有較高的機械強度,易于現場布設。主要應用于高速公路路基應變場、整體形變監測、大型混凝土樁基的內部應變場及形變監測、特種場合下的溫度傳感監測。

      HT-HFBGA-03 

      3U機架式超弱光纖光柵解調儀


      這是一款標準的3U機架式大容量超弱光纖光柵分析儀,可提供4、8、32通道。光源發射近紅外激光脈沖進入傳感光纖,當激光脈沖沿著光纖正向傳播時,被光纖上串聯的超弱光柵傳感器陣列部分地反射,這些反射沿著同一光纖背向返后被實時檢測和分析。該分析儀內置工控機,支持遠程操作、配置和數據采集,上電自啟動,采用先進的信號解調算法進行處理,準確地獲取每個傳感器的位置和溫度或應變值,并通過以太網或WIFI回傳。

      HT-HFBGA-04 3U

      便攜式超弱光纖光柵解調儀


      這是一款便攜式大容量超弱光纖光柵分析儀。光源發射近紅外激光脈沖進入傳感光纖,當激光脈沖沿著光纖正向傳播時,被光纖上串聯的超弱光柵傳感器陣列部分地反射,這些反射沿著同一光纖背向返回到分析儀,被實時檢測和分析。該分析儀內置電腦主機,集成15″LCD、88鍵鍵盤、觸摸板,自帶鋰電,支持現場/遠程操作、配置和數據采集,采用先進的信號解調算法進行處理,可準確地獲取每個傳感器的位置和溫度或應變值,并通過以太網或WIFI回傳。

      HT-HFBGA-05 

      便攜式超弱光纖光柵DAS解調儀


      這是一款便攜式大容量超弱光纖光柵微振動分析儀。光源發射近紅外激光脈沖進入傳感光纖,當激光脈沖沿著光纖正向傳播時,被光纖上串聯的超弱光柵傳感器陣列部分地反射,這些反射沿著同一光纖背向返回到分析儀,被實時檢測和分析。該分析儀內置電腦主機,集成15″LCD,88鍵鍵盤、觸摸板,自帶鋰電,支持現場/遠程操作、配置和數據采集,采用FPGA硬件完成算法解調,準確地獲取每個傳感器的位置和振動特征信號,并通過以太網或WIFI回傳。


      工程應用                                       

      巖崩監測

      在巖體表面布設超弱光柵傳感光纜,可以大面積監測巖體邊坡的變形。同時在重點位置布設點式超弱光柵傳感器監測裂縫和大尺度位移。采用野外4G基站,定時采集數據后回傳。


      采煤沉陷區地表位移監測

      布設超弱光柵傳感光纜監測淺層地表位移的變化規律,為市政開發提供參考。采用野外4G基站,每20分鐘回傳1組數據,長期采集存儲數據。


      地鐵隧道監測

      布設超弱光柵傳感光纜監測地鐵隧道結構的穩定性,如收斂、變形、沉降等,確保設施長期可靠的運行安全。


      基樁變形和內力監測

      在基樁中布設超弱光柵傳感光纜監測基樁變形和內力變化。



      水電站水環境監測

      在壩體布設超弱光纖溫度場系統,研究蓄水、發電、水生態變化與水溫的關系。


      天文望遠鏡溫度場監測

      在天文望遠鏡中布設超弱光纖光纜,診斷結構內部溫度場的溫度,為優化內部溫度場提供依據???4小時多維度監測溫度場的變化,為高精度觀測提供支撐。


      能源動力現場監測

      在皮帶運輸機、煤廠、配電房等結構物上布設超弱光纖光纜,監測溫度場的變化。


      周邊安全監測

      利用DAS系統,布設超弱光纖光纜,結合GIS地圖,給客戶提供身臨其境般的感受,響應速度快,并可同時聯動蜂鳴器、手機短信、照明燈光、視頻監控攝像頭等多重報警。


      管廊、線纜過熱/擾動監測

      布設超弱光纖光纜,監測電纜工作時的過熱、人為擾動、局部放電產生的超聲振動,通過虛擬現實匹配后,實時發布在用戶手機上。


      海纜/風機聯合監測

      利用海纜內置光纖實現海纜本體溫度、應力和擾動監測,實時計算海纜芯溫度和預測海纜動態負荷;合作開發的船只AIS識別預警系統聯動;監測風機的塔桿、樁基的受力狀態,獲取風機的運行狀態信息。



            今日分享就到次啦!如需進一步了解超弱光柵傳感技術和方案,請聯系瑞科儀器。

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