光纤光栅表面式应变计_北京品傲光电科技有限公司 无标题文档
      
  • 佳能

光纤光栅表面式应变计

品傲PI-FBG-E3000-A/B型光纤光栅表面式应变计主要用于测量金属结构、桩、桥梁、建筑物等的应变,A型与B型的区别在于:A型除具有测应变光栅外内置参考光栅,可进行一对一温度补偿;B型仅有一支测应变光栅,温度补偿需要外置温度计,如果多支传感器置于同一温度环境下,可以采用共用温度补偿的方式来节省通道、节省成本。

产品系统系统构成系统性能及参数

1.   概述

品傲PI-FBG-E3000-A/B型光纤光栅表面式应变计主要用于测量金属结构、桩、桥梁、建筑物等的应变,A型与B型的区别在于:A型除具有测应变光栅外内置参考光栅,可进行一对一温度补偿;B型仅有一支测应变光栅,温度补偿需要外置温度计,如果多支传感器置于同一温度环境下,可以采用共用温度补偿的方式来节省通道、节省成本。本公司同时提供一种高抗拉强度的光栅可替代普通的光栅:

利用飞秒激光脉冲诱导光纤纤芯产生折射率变化刻写光纤光栅的技术方案主要有两种:一是逐点刻写法,利用聚焦的飞秒激光束沿光纤逐点曝光,使纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅;二是相位掩模法,其原理与传统的相位掩模法类似,只是曝光光源改进飞秒脉冲激光。新型飞秒激光逐点直写技术高效灵活制造高端FBG——fsFBG。其优势在于:在用户指定或者提供的光纤上直写FBG;飞秒激光的非线性光学效应产生极端稳定的不可擦除的光栅作为传感器件;至1000摄氏度的极端稳定性;透过涂覆层直写,保留光纤更好的机械强度,保留特殊涂覆层的优异性能,远高于常规剥离——再涂覆法光纤光栅的机械强度;抗辐射,抗潮湿,抗氢暗化,抗电磁干扰。

聚酰亚胺是一类新型的耐高温材料,具有极高的耐热性、优异的化学稳定性、良好的电绝缘性和高机械强度等性能,是迄今工业上实际应用的一种耐热等级最高的聚合物材料,广泛应用于宇航、电工和微电子工业中。为了保证在低熔点玻璃270℃焊接温度下涂覆层不会被烧坏,本发明选用了聚酰亚胺涂覆层的光纤。

低熔点玻璃是一种低温封接玻璃焊料,封装工艺中可直接将金属管套与光纤密封,无需将光纤表面金属化,浸润性良好,能够达到气密封装;化学稳定较好,熔封过程中不产生气体,熔封后无残留物;气密封接温度比较低,封接温度范围为270~380℃,易于操作;适用性强,相对传统封装,使用该产品封装后的元件寿命长。较常规环氧树脂胶的封装工艺,光纤光栅依靠低熔点玻璃焊接,接触点稳定性好,消除了蠕变造成的波长零点的漂移。

采用聚酰亚胺涂覆层的光纤光栅,结合低熔点玻璃焊接技术将光栅两端直接焊接在金属弹性体上,再将弹性体放置于基座上并用保护管加以保护。

普通丙烯酸酯涂覆层光纤光栅与飞秒激光直写聚酰亚胺光纤光栅封装所得光纤光栅结构力学传感器的抗拉强度对比如图

PI-FBG-E3000-A型核心结构采用高弹性金属结构,把两根串联的光纤光栅封装在结构内,一根用于应变测量,一根用于温度补偿。测量时传感器收到拉伸、压缩变形,同时带动内部应变光栅拉伸、压缩,从而引起反射波长的改变,通过后台的解调仪探测到反射波长变化量达到测量目的。

本传感器适用于各种环境表面的应变监测,安装时需要将安装底座固定在待测结构上,安装方式根据待测结构材料或现场允许环境可选,表面焊接或者打膨胀螺丝。

2.   产品特点

稳定性

常规产品技术缺陷:采用环氧树脂胶灌封的光纤光栅结构力学传感器存在以下缺陷:由于环氧树脂胶本身的蠕变特性,采用此封装工艺的光纤光栅结构力学传感器在长期使用的过程中会随着环氧树脂胶的蠕变带动封装在内部的光纤光栅一起发生蠕变使得传感器波长零点的漂移,最终导致传感器失效无法使用。

由北京品傲光电科技有限公司研发生产的全系列安全监测传感器均采用无氧胶封装,替代了传统环氧树脂胶、紫外胶等固定方式,大大降低了传统传感器零点漂移的几率。传统传感器在10个月内由于持续蠕变引起的零点漂移概率较高。

采用环氧树脂胶灌封的光纤光栅结构力学传感器的蠕变实验,如下图所示:



3.   性能指标

项目

单位

参考值

标准量程

με

飞秒光栅传感器:-2500+2500

普通光栅传感器:-1500+1500

精度

με

0.5%F·S

分辨率

με

1με

(飞秒光栅传感器:0.02%FS

普通光栅传感器:0.033%FS

传感器标距

mm

150(可定制)

光栅中心波长

nm

1525~1565

工作温度范围

30~+80

单通道传感器数量

5

传感器引出线及接头

 

FC/APC,双端为长度1m,直径3mm/6mm铠装光缆

传感头之间连接方式

 

串联/法兰盘连接/光缆熔接

过载能力

 

1.15

温度补偿方式

 

参考光栅:A型内置温补,B型外置温补

安装方式

 

焊接、螺栓固定、粘贴

4.   安装埋设

4.1 安装前的准备工作

1)将传感器连接至便携式光纤光栅解调仪,轻轻拉动传感器两端,观察应变光栅解调仪度数(用力不宜太大,波长飘逸不超过1.5nm,拉伸时传感器波长变大,压缩时传感器波长减小。

2)观察温度光栅在拉伸、压缩的过程中不会出现波长的大幅跳动(超过50pm)。

4.2安装方式——焊接/粘贴

 1)待测钢件表面应平整、清洁、无锈、无油渍。使用适当清洁剂擦祛除表面油污等,再用电动磨床或打磨机、锉、钢刷或砂纸,使待测表面平整光滑。

2)焊接基座,基座是用来架传感器,由于焊接时温度过高对传感器影响较大,且不能直接焊接(传感器尺寸精确,直接焊接后可能由于上下左右位置不准导致传感器安装不上),现需要使用和PI-FBG-E3000外形尺寸完全相同的模板,先将模板安装在一对基座上,在对基座进行焊接。

   3)安装传感器,焊接之后,放置一段时间,使焊接时产生的残余热量完全散失后再松开模板,并用尖锤清理焊接残渣,并且将光纤光栅应变计装入焊接好的安装基座内。

4.3安装方式一膨胀螺丝

 1)当传感器需要测量混凝土表面应变时,不能采用焊接的方式,需要采用打膨胀螺丝固定基座,首先选择一个与膨胀螺丝胀紧圈相同直径的合金钻头,安装在电钻上用来打孔。

 2)保证孔的深度略长于螺栓长度,钻孔完毕后在孔内灌胶,然后把膨胀螺丝套件仪器下到孔内,螺帽拧紧2-3扣后感觉膨胀螺丝比较紧而不松后在拧下螺帽。

3)待四个膨胀螺丝依次按照尺寸安装后,将一对安装基座通过螺纹连接固定在膨胀螺丝上,随后可以进行传感器安装。

4.4 传感器的保护

为了防止应变计由掉落物坠落引起破坏传感器,现使用角钢或槽钢做成盖板保护,盖板扣在应变计上。

5.   数据解调

 2)温度测量与修正:

光纤光栅应变计内除了有一支测力光栅外,还串有一支温度光栅,其作用为温度测量与压力温度修正。

6.   常见故障检查与处理

1)如果光纤光栅应变计出现波长消失、解调误差偏大等情况可以按照以下方式检查:

用酒精擦拭法兰连接处,并且查看反射波峰是否回归到正常功率位置。

检查光缆熔接处,排除可能造成光路传输障碍的故障点

2)如果光纤光栅应变计安装后出现测力光栅波长大幅度低于初始波长(一般比初始波长低1nm左右),可能是传感器内部损坏,请联系厂家售后服务。