光柵傳感器

光柵傳感器實際上是光電傳感器的一個特殊應用。由于光柵測量具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、易于實現(xiàn)自動化和數(shù)字化等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。

光柵主要由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。通常，標尺光柵固定在活動部件上， 如機床的工作臺或絲桿上。光柵讀數(shù)頭則安裝在固定部件上，如機床的底座上。當活動部件移動時，讀數(shù)頭和標尺光柵也就隨之做相對的移動。 2100433B 解讀詞條背后的知識 查看全部

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    2019-05-231
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    2019-05-270

內(nèi)置光纖光柵傳感器的橋梁用智能纜索系統(tǒng)專利目的

《內(nèi)置光纖光柵傳感器的橋梁用智能纜索系統(tǒng)》的目的是提供一種能提高光纖光柵傳感器及光纖在纜索制造及應用過程中的存活率、確保光纖光柵傳感器埋植工藝可靠以及能有效地將光纖光柵信號無失真地引出纜索體外的內(nèi)置光纖光柵傳感器的橋梁用智能纜索系統(tǒng)。

內(nèi)置光纖光柵傳感器的橋梁用智能纜索系統(tǒng)技術(shù)方案

一種內(nèi)置光纖光柵傳感器的橋梁用智能纜索系統(tǒng)包括錨杯、分絲板、連接筒、內(nèi)置于連接筒部位的光纖光柵傳感器以及索體，所述光纖光柵傳感器包括光纖光柵應變傳感器和光纖光柵溫度傳感器，將所述光纖光柵應變傳感器和光纖光柵溫度傳感器先進行封裝，并將光纖光柵應變傳感器和光纖光柵溫度傳感器的尾纖引出，封裝后的光纖光柵應變傳感器固定連接于連接筒部位的外層鋼絲上，封裝后的光纖光柵溫度傳感器懸置于連接筒部位的鋼絲上，在所述分絲板上穿孔，在所述連接筒和錨杯內(nèi)預先埋入預留鋼管，該預留鋼管由所述分絲板上的穿孔引出，將光纖光柵應變傳感器和光纖光柵溫度傳感器的的尾纖接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預留鋼管從纜索中引出，將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調(diào)儀；通過監(jiān)測光纖光柵中心波長的變化，可實現(xiàn)對纜索內(nèi)溫度、纜索的整體受力情況及纜索內(nèi)鋼絲的應力分布狀況進行實時監(jiān)測。

所述光纖光柵應變傳感器的封裝結(jié)構(gòu)是：所述光纖光柵應變傳感器包括第一光纖光柵、中間軸向第二鋼管、第一鋼管、直徑略粗的第一保護鋼管以及用于與纜索用鋼絲連接的支座，所述第一保護鋼管有一件，第二鋼管、支座、第一鋼管均有二件，二件第二鋼管、二件支座、二件第一鋼管左右對稱布置于所述第一保護鋼管的左右兩邊，其中第二鋼管的直徑＜第一鋼管的直徑＜第一保護鋼管的直徑，所述第二鋼管中間軸向開槽，將支座上部區(qū)域穿孔，將一定標距的第一鋼管中間穿過所述支座上部區(qū)域穿孔連接在支座上。將直徑略大、長度合適的第一保護鋼管的兩端分別套裝在所述二件第一鋼管的一端，第一鋼管的另一端套裝在所述第二鋼管的一端，將第一光纖光柵穿過第二鋼管、第一鋼管和第一保護鋼管，光柵柵區(qū)在第一保護鋼管中心位置，將第一光纖光柵兩端用膠固定在二個第二鋼管的槽內(nèi)，第二鋼管開槽處外套第二熱縮套保護開槽部位，所述第一光纖光柵兩端尾纖由所述第二鋼管的另一端引出，將光纖光柵應變傳感器的支座與所述纜索的鋼絲相連接，光纖光柵應變傳感器外罩保護罩保護，用膠泥密封保護罩與鋼絲密封處，膠泥密封后的鋼絲空隙處外面再用膠帶密封，形成完全封裝后的光纖光柵應變傳感器。

所述的光纖光柵溫度傳感器的封裝結(jié)構(gòu)是：所述的光纖光柵溫度傳感器包括第二光纖光柵、第二保護鋼管和第二熱縮套，第二光纖光柵懸置于第二保護鋼管內(nèi)，從第二保護鋼管內(nèi)引出尾纖，引出處用膠固定，并用第二熱縮套熱縮保護。

內(nèi)置光纖光柵傳感器的橋梁用智能纜索系統(tǒng)有益效果

《內(nèi)置光纖光柵傳感器的橋梁用智能纜索系統(tǒng)》提供一種在纜索的連接筒部位內(nèi)置光纖光柵傳感器的智能纜索系統(tǒng)，通過外接光纖光柵解調(diào)儀，測量光纖光柵中心波長的變化，可對纜索內(nèi)應力分布狀況及纜索的整體受力狀況進行實時監(jiān)測，滿足特大橋梁的健康監(jiān)測要求，提高大橋的安全性。

自從1989年美國的Morey等人首次進行光纖光柵的應變與溫度傳感器研究以來，世界各國都對其十分關(guān)注并開展了廣泛的應用研究，在短短的10多年時間里光纖光柵己成為傳感領域發(fā)展最快的技術(shù)，并在很多領域取得了成功的應用，如航空航天、土木工程、復合材料、石油化工等領域。

1、土木及水利工程中的應用

土木工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器應用最活躍的領域。力學參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護和健康狀況監(jiān)測是非常重要的.通過測量上述結(jié)構(gòu)的應變分布，可以預知結(jié)構(gòu)局部的載荷及健康狀況.。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預先埋入結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)同時進行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況.。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網(wǎng)絡，對結(jié)構(gòu)進行準分布式檢測，可以用計算機對傳感信號進行遠程控制。

2、在橋梁安全監(jiān)測中的應用

目前， 應用光纖光柵傳感器最多的領域當數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋梁體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其他土木工程結(jié)構(gòu)的預應力錨固體系，如結(jié)構(gòu)加固采用的錨索、錨桿也是關(guān)鍵的受力構(gòu)件。上述受力構(gòu)件的受力大小及分布變化最直接地反映結(jié)構(gòu)的健康狀況，因此對這些構(gòu)件的受力狀況監(jiān)測及在此基礎上的安全分析評估具有重大意義。

加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一(1993 年)， 16 個光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上，對橋梁結(jié)構(gòu)進行長期監(jiān)測， 而這在以前被認為是不可能。德國德累斯頓附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預應力混凝土橋， 德累斯頓大學的Meis－sner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土棱柱中， 測量荷載下的基本線性響應， 并且用常規(guī)的應變測量儀器作了對比試驗， 證實了光纖光柵傳感器的應用可行性。瑞士應力分析實驗室和美國海軍研究實驗室， 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過程中， 使用了32個光纖光柵傳感器對箱形梁被推拉時的準靜態(tài)應變進行了監(jiān)測， 32個光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統(tǒng)進行信號解調(diào)。

2003年6月，同濟大學橋梁系史家均老師主持的盧浦大橋健康檢測項目中，采用了上海紫珊光電的光纖光柵傳感器，用于檢測大橋在各種情況下的應力應變和溫度變化情況。

施工情況：整個檢測項目的實施主要包括傳感器布設、數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)分析三大步。在盧浦大橋選定的端面上布設了8個光纖光柵應變傳感器和4個光纖光柵溫度傳感器，其中8個光纖光柵應變傳感器串接為1路，4個溫度傳感器串接為1路，然后通過光纖傳輸?shù)綐蚬芩?，實現(xiàn)大橋的集中管理。數(shù)據(jù)測量的周期根據(jù)業(yè)主的要求來確定，通過在橋面加載的方式，利用光纖光柵傳感網(wǎng)絡分析儀，完成橋梁的動態(tài)應變測試。

3、在混凝土梁應變監(jiān)測中的應用

1989年，美國Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結(jié)構(gòu)中， 并描述了實際應用中這一研究領域的一些基本設想。此后， 美國、英國、加拿大、日本等國家的大學、研究機構(gòu)投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結(jié)構(gòu)中的應用。

在混凝土結(jié)構(gòu)澆注時所遇到的一個非常棘手的問題是： 如何才能在混凝土澆搗時避免破壞傳感器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫于普通單模通訊光纖上， 其質(zhì)地脆， 易斷裂， 為適應土木工程施工粗放性的特點， 在將其作為傳感器測量建筑結(jié)構(gòu)應變時，應采取適當保護措施。

一種可行的方案是：在鋼筋籠中布置好混凝土應變傳感器的光纖線路后， 將混凝土應變傳感器用鐵絲等按照預定位置固定在鋼筋籠中， 然后將中間段用紗布纏繞并用膠帶固定。而對粘貼式鋼筋應變傳感器一般則用外涂膠層進行保護。

4、在水位遙測中的應用

在光纖光柵技術(shù)平臺上研制出的高精度光學水位傳感器專門用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測量。傳感器的精度可以到達±0.1%F·S。光纖安裝在傳感器內(nèi)部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，并反射符合布拉格條件的某一波長的光信號。當FBG與彈性膜片或其它設備連接在一起時，水位的變化會拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長會隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長的偏移就可以監(jiān)測出水位的變化。

5、在公路健康檢測中的應用

公路健康監(jiān)測必要性：交通是與人們息息相關(guān)的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說交通的好壞可以直接決定一個城市的發(fā)展命運。每年國家都要投入大量資金用在公路修建以及維護上，其中維護費用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。而破壞一般都是因為汽車超載，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質(zhì)量有很大關(guān)系。所以在公路施工過程以及使用過程中進行健康檢測是非常有必要的。現(xiàn)在的公路一般分三層進行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過程中埋入溫度以及應變傳感器可以及時得到溫度以及應變的變化情況，對公路質(zhì)量進行實時監(jiān)控。詳細了解施工材料的特點以及影響施工質(zhì)量的因素。

光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對溫度、應變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應變同時敏感，即溫度與應變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問題，實現(xiàn)溫度和應力的區(qū)分測量是傳感器實用化的前提。通過一定的技術(shù)來測定應力和溫度變化來實現(xiàn)對溫度和應力區(qū)分測量。這些技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應變傳感器，通過確定2個光纖光柵的溫度與應變響應靈敏度系數(shù)，利用2個二元一次方程解出溫度與應變。區(qū)分測量技術(shù)大體可分為兩類，即多光纖光柵測量和單光纖光柵測量。

多光纖光柵測量主要包括混合FBG/長周期光柵（long period grating）法、雙周期光纖光柵法、光纖光柵/F-P腔集成復用法、雙FBG重疊寫入法。各種方法各有優(yōu)缺點。FBG/LPG法解調(diào)簡單，但很難保證測量的是同一點，精度為9×10^-6，1.5℃。雙周期光纖光柵法能保證測量位置，提高了測量精度，但光柵強度低，信號解調(diào)困難。光纖光柵/F-P腔集成復用法傳感器溫度穩(wěn)定性好、體積小、測量精度高，精度可達20×10^-6，1℃，但F-P的腔長調(diào)節(jié)困難，信號解調(diào)復雜。雙FBG重疊寫入法精度較高，但是，光柵寫入困難，信號解調(diào)也比較復雜。

單光纖光柵測量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光柵法、利用不同的FBG組合和預制應變法等。用聚合物材料封裝單光纖光柵法是利用某些有機物對溫度和應力的響應不同增加光纖光柵對溫度或應力靈敏度，克服交叉敏感效應。這種方法的制作簡單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光柵寫于不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實現(xiàn)區(qū)分測量。這種方法解調(diào)簡單，且解調(diào)為波長編碼避免了應力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測量范圍偏小等問題。預制應變法是首先給光纖光柵施加一定的預應變，在預應變的情況下將光纖光柵的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。應力釋放后，未粘貼部分的光纖光柵形變恢復，其中心反射波長不變；而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢復，從而導致了這部分光纖光柵的中心反射波長改變，因此，這個光纖光柵有2個反射峰，一個反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對應變和溫度都敏感；另一個反射峰（未粘貼部分）只對溫度敏感，通過測量這2個反射峰的波長漂移可以同時測量溫度和應變。