光栅传感器

光栅传感器实际上是光电传感器的一个特殊应用。由于光栅测量具有结构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字化等优点，因而得到了广泛的应用。

光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在活动部件上， 如机床的工作台或丝杆上。光栅读数头则安装在固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动。 2100433B 解读词条背后的知识 查看全部

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内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统专利目的

《内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统》的目的是提供一种能提高光纤光栅传感器及光纤在缆索制造及应用过程中的存活率、确保光纤光栅传感器埋植工艺可靠以及能有效地将光纤光栅信号无失真地引出缆索体外的内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统。

内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统技术方案

一种内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统包括锚杯、分丝板、连接筒、内置于连接筒部位的光纤光栅传感器以及索体，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，将所述光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器先进行封装，并将光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的尾纤引出，封装后的光纤光栅应变传感器固定连接于连接筒部位的外层钢丝上，封装后的光纤光栅温度传感器悬置于连接筒部位的钢丝上，在所述分丝板上穿孔，在所述连接筒和锚杯内预先埋入预留钢管，该预留钢管由所述分丝板上的穿孔引出，将光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的的尾纤接入光纤线缆，该光纤线缆通过所述预留钢管从缆索中引出，将从缆索中引出的光纤线缆接入一光纤光栅解调仪；通过监测光纤光栅中心波长的变化，可实现对缆索内温度、缆索的整体受力情况及缆索内钢丝的应力分布状况进行实时监测。

所述光纤光栅应变传感器的封装结构是：所述光纤光栅应变传感器包括第一光纤光栅、中间轴向第二钢管、第一钢管、直径略粗的第一保护钢管以及用于与缆索用钢丝连接的支座，所述第一保护钢管有一件，第二钢管、支座、第一钢管均有二件，二件第二钢管、二件支座、二件第一钢管左右对称布置于所述第一保护钢管的左右两边，其中第二钢管的直径＜第一钢管的直径＜第一保护钢管的直径，所述第二钢管中间轴向开槽，将支座上部区域穿孔，将一定标距的第一钢管中间穿过所述支座上部区域穿孔连接在支座上。将直径略大、长度合适的第一保护钢管的两端分别套装在所述二件第一钢管的一端，第一钢管的另一端套装在所述第二钢管的一端，将第一光纤光栅穿过第二钢管、第一钢管和第一保护钢管，光栅栅区在第一保护钢管中心位置，将第一光纤光栅两端用胶固定在二个第二钢管的槽内，第二钢管开槽处外套第二热缩套保护开槽部位，所述第一光纤光栅两端尾纤由所述第二钢管的另一端引出，将光纤光栅应变传感器的支座与所述缆索的钢丝相连接，光纤光栅应变传感器外罩保护罩保护，用胶泥密封保护罩与钢丝密封处，胶泥密封后的钢丝空隙处外面再用胶带密封，形成完全封装后的光纤光栅应变传感器。

所述的光纤光栅温度传感器的封装结构是：所述的光纤光栅温度传感器包括第二光纤光栅、第二保护钢管和第二热缩套，第二光纤光栅悬置于第二保护钢管内，从第二保护钢管内引出尾纤，引出处用胶固定，并用第二热缩套热缩保护。

内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统有益效果

《内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统》提供一种在缆索的连接筒部位内置光纤光栅传感器的智能缆索系统，通过外接光纤光栅解调仪，测量光纤光栅中心波长的变化，可对缆索内应力分布状况及缆索的整体受力状况进行实时监测，满足特大桥梁的健康监测要求，提高大桥的安全性。

自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的10多年时间里光纤光栅己成为传感领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域。

1、土木及水利工程中的应用

土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况.。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。

2、在桥梁安全监测中的应用

目前， 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固体系，如结构加固采用的锚索、锚杆也是关键的受力构件。上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况，因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993 年)， 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测， 而这在以前被认为是不可能。德国德累斯顿附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的预应力混凝土桥， 德累斯顿大学的Meis－sner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中， 测量荷载下的基本线性响应， 并且用常规的应变测量仪器作了对比试验， 证实了光纤光栅传感器的应用可行性。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室， 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架桥的建造过程中， 使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测， 32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法- 泊系统进行信号解调。

2003年6月，同济大学桥梁系史家均老师主持的卢浦大桥健康检测项目中，采用了上海紫珊光电的光纤光栅传感器，用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。

施工情况：整个检测项目的实施主要包括传感器布设、数据测量和数据分析三大步。在卢浦大桥选定的端面上布设了8个光纤光栅应变传感器和4个光纤光栅温度传感器，其中8个光纤光栅应变传感器串接为1路，4个温度传感器串接为1路，然后通过光纤传输到桥管所，实现大桥的集中管理。数据测量的周期根据业主的要求来确定，通过在桥面加载的方式，利用光纤光栅传感网络分析仪，完成桥梁的动态应变测试。

3、在混凝土梁应变监测中的应用

1989年，美国Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中， 并描述了实际应用中这一研究领域的一些基本设想。此后， 美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。

在混凝土结构浇注时所遇到的一个非常棘手的问题是： 如何才能在混凝土浇捣时避免破坏传感器及光缆。光纤Bragg光栅通常写于普通单模通讯光纤上， 其质地脆， 易断裂， 为适应土木工程施工粗放性的特点， 在将其作为传感器测量建筑结构应变时，应采取适当保护措施。

一种可行的方案是：在钢筋笼中布置好混凝土应变传感器的光纤线路后， 将混凝土应变传感器用铁丝等按照预定位置固定在钢筋笼中， 然后将中间段用纱布缠绕并用胶带固定。而对粘贴式钢筋应变传感器一般则用外涂胶层进行保护。

4、在水位遥测中的应用

在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器专门用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。传感器的精度可以到达±0.1%F·S。光纤安装在传感器内部，由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG，并反射符合布拉格条件的某一波长的光信号。当FBG与弹性膜片或其它设备连接在一起时，水位的变化会拉伸或压缩FBG。而且，反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。那么，根据反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。

5、在公路健康检测中的应用

公路健康监测必要性：交通是与人们息息相关的事情，同样也是制约城市发展的主要因素，可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上，其中维护费用占据了很大一部分。即便是这样，每年仍然有大量公路遭到破坏，公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。而破坏一般都是因为汽车超载，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的质量有很大关系。所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。现在的公路一般分三层进行施工，分为底基层、普通层和沥青层，在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况，对公路质量进行实时监控。详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。

光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类，即多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。

多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅（long period grating）法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBG/LPG法解调简单，但很难保证测量的是同一点，精度为9×10^-6，1.5℃。双周期光纤光栅法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度低，信号解调困难。光纤光栅/F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达20×10^-6，1℃，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高，但是，光栅写入困难，信号解调也比较复杂。

单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度，克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单，但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处，利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单，且解调为波长编码避免了应力集中，但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变，在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后，未粘贴部分的光纤光栅形变恢复，其中心反射波长不变；而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复，从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变，因此，这个光纤光栅有2个反射峰，一个反射峰（粘贴在悬臂梁上的部分）对应变和温度都敏感；另一个反射峰（未粘贴部分）只对温度敏感，通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。