光纖布拉格光柵(FBG)光學(xué)傳感: 高難度應(yīng)變測(cè)量的新方案 - 全文

　　概覽

　　應(yīng)變測(cè)量方法已有長(zhǎng)足的進(jìn)步。 而目前最先進(jìn)的3項(xiàng)技術(shù)分別為電子箔片量表(electrical foil gage)、電子振弦 (Electrical vibrating wire)以及光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)光學(xué)傳感器。

　　針對(duì)大部分的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變感測(cè)應(yīng)用而言，電子感測(cè)目前已成為最高效率的解決方案，未來(lái)也將持續(xù)這一趨勢(shì)。 但在傳統(tǒng)的高難度應(yīng)用中，光學(xué)傳感器另已崛起。 惡劣的環(huán)境、分布式系統(tǒng)或者長(zhǎng)時(shí)間部署均體現(xiàn)了光學(xué)傳感系統(tǒng)的特性，且其效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的電子傳感器。需要測(cè)量解決方案的應(yīng)用，往往必須兼顧多種傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與特性。 因此混合方式就成為重要考量。 本文將簡(jiǎn)要說(shuō)明各種技術(shù)，并權(quán)衡其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　技術(shù)介紹

　　電子傳感: 金屬箔片量表

　　箔片應(yīng)變量表是通過(guò)電阻與導(dǎo)體長(zhǎng)度之間的關(guān)系，測(cè)得應(yīng)變所發(fā)生的變化。 在箔片延展的同時(shí)，其長(zhǎng)度也跟著變長(zhǎng)，因此造成電阻短時(shí)間的變化。 若要精確測(cè)量電阻的微小變化，就必須通過(guò)額外的信號(hào)處理，也就是常見(jiàn)的Wheatstone電橋電阻網(wǎng)。 此處是跨電阻網(wǎng)而套用穩(wěn)定的電壓，測(cè)得箔片上的等比例電壓壓降而得出應(yīng)變。

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　　圖1. 常見(jiàn)的箔片應(yīng)變量表

　　電子傳感：振弦

　　正如其字面意思，振弦(Vibrating wire)傳感是利用弦線(xiàn)張力與弦線(xiàn)震動(dòng)頻率之間的關(guān)系。 常見(jiàn)的激發(fā)震動(dòng)的方式是驅(qū)動(dòng)電流，使其穿過(guò)弦線(xiàn)附近的線(xiàn)圈。 接著將產(chǎn)生磁場(chǎng)，并因其記性而排斥或吸引弦線(xiàn)。 一旦弦線(xiàn)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)再透過(guò)相同的振動(dòng)線(xiàn)圈測(cè)量其震動(dòng)情形。 接著分析頻率資料并將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變。

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　　圖2. 常見(jiàn)振弦傳感器的配置

　　光學(xué)傳感：光纖布拉格光柵

　　光學(xué)傳感是通過(guò)光線(xiàn)特性而測(cè)量物理現(xiàn)象。 FBG即根據(jù)玻璃纖維折射率的一系列變化所構(gòu)建。 先用光纖連至光源，當(dāng)光線(xiàn)進(jìn)入應(yīng)變FBG傳感器時(shí)，即由光柵屬性而反射特殊波長(zhǎng)。 在FBG延展的同時(shí)，這些光柵之間的間隙也隨之變大，進(jìn)而改變反射光的波長(zhǎng)。 接著測(cè)得反射光，并將波長(zhǎng)中的漂移轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值。

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　　圖3. FBG延展圖

　　應(yīng)用考量

　　表1. 應(yīng)變傳感技術(shù)屬性摘要

　　箔片應(yīng)變量表

　　在大多數(shù)的受控制環(huán)境中，箔片應(yīng)變量表是最普遍、成本效益最高的解決方案。 箔片應(yīng)變量表技術(shù)非常成熟，因此也具備最高產(chǎn)品系統(tǒng)效益的傳感器、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集硬件(DAQ)硬件。 此外，箔片應(yīng)變量表系統(tǒng)還整合了信號(hào)處理與DAQ組件，大大提升了測(cè)量效率。 NI C 系列與SC Express模塊就是最佳范例。

　　若是大范圍的分散式應(yīng)用，就不適合采用箔片應(yīng)變量表系統(tǒng)。 在長(zhǎng)距離的情況下，讓所有箔片應(yīng)變傳感器連接最多10組導(dǎo)線(xiàn)，安裝與維護(hù)就會(huì)變得非常困難。 因長(zhǎng)距離導(dǎo)線(xiàn)所造成的電壓壓降，也讓箔片應(yīng)變量表系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。 此外，一般箔片應(yīng)變量表的使用壽命較短，因此長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和監(jiān)控應(yīng)用更需考慮淘汰問(wèn)題。

　　在惡劣或不受控制的環(huán)境中，最好不要部署箔片應(yīng)變量表系統(tǒng)。 一旦箔片應(yīng)變發(fā)生變化，往往造成毫伏 (Millivolt) 單位的電壓變動(dòng)，而傳感器與連線(xiàn)又容易受到電磁干擾(EMI)的影響。 若能讓?xiě)?yīng)變量表盡量靠近測(cè)量系統(tǒng)，則可縮短導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度從而降低外部噪音的影響。 但根據(jù)應(yīng)用需求的不同，該方案不一定始終可行。

　　箔片應(yīng)變量表是動(dòng)態(tài)應(yīng)變應(yīng)用(包含風(fēng)動(dòng)與沖擊測(cè)試) 的最常見(jiàn)的傳感器。 主要是因?yàn)榭奢p松獲得測(cè)量硬件，且采樣率往往超過(guò)1 kHz。 若要實(shí)現(xiàn)高速應(yīng)用時(shí)，則DAQ平臺(tái)也要能處理大量數(shù)據(jù)。 如PXI Express平臺(tái)的技術(shù)，將提供必要的帶寬與同步功能，以采集/傳輸大量數(shù)據(jù)。 因此在常見(jiàn)的小范圍、受控制的操作環(huán)境中，箔片應(yīng)變是高成本效益、具備完整支持功能的傳感器，且同時(shí)適用靜態(tài)與高速動(dòng)態(tài)測(cè)量。

　　振弦

　　由于振弦系統(tǒng)可穩(wěn)定用于長(zhǎng)時(shí)間部署，因此常用于結(jié)構(gòu)監(jiān)控應(yīng)用。

　　只要振弦按其所固定/嵌入的材料完成校準(zhǔn)之后，即可穩(wěn)定且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作。 又因?yàn)檎裣壹夹g(shù)可測(cè)量電子信號(hào)頻率中的變化，所以其本身就具備特定程度的電磁信號(hào)防擾功能。 但由于振弦采用的是電子導(dǎo)體，所以若發(fā)生如雷擊等高電壓，可能同時(shí)損壞傳感器與所連接的DAQ系統(tǒng)。 此外，振弦屬于低速傳感器(使用1 Hz 階次間隔)，因此必須先進(jìn)行激活，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，才能開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量。

　　對(duì)精確的測(cè)量而言，傳感器應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。 而常見(jiàn)方式即為附加熱敏電阻(Thermistor)。 振弦系統(tǒng)中的各組傳感器需要2組還是4組導(dǎo)線(xiàn)一般取決于傳感器是否擁有溫度補(bǔ)償功能。 若是多組傳感器需共用單一接線(xiàn)組合，則可搭配多路架構(gòu)。 雖然多路架構(gòu)會(huì)降低采樣率，但對(duì)大多數(shù)的長(zhǎng)期應(yīng)變監(jiān)控應(yīng)用而言，每分鐘取得數(shù)個(gè)樣本就已足夠。 但若是為大型的分散式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路架構(gòu)，就必須額外考量傳感器與DAQ硬件之間的龐大接線(xiàn)數(shù)量。

　　振弦系統(tǒng)適用于可能產(chǎn)生少量EMI的長(zhǎng)時(shí)間部署應(yīng)用;部署范圍最好限于數(shù)百米之內(nèi);且最好低于每秒1組樣本(1 S/s)的采樣率。

　　光纖布拉格光柵(FBG)光學(xué)傳感

　　與傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)相較，F(xiàn)BG光學(xué)應(yīng)變傳感器具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大范圍、長(zhǎng)時(shí)間部署的惡劣環(huán)境。

　　FBG光學(xué)傳感系統(tǒng)沒(méi)有采用電子導(dǎo)體，因此可完全不受EMI與高電壓的干擾。 這非常適用于傳感器靠近噪音源(如電源轉(zhuǎn)換器、天線(xiàn)、電子馬達(dá))的應(yīng)用。 又因?yàn)镕BG不受雷擊影響且抗腐蝕，進(jìn)而可降低長(zhǎng)時(shí)間維護(hù)成本，更適用于開(kāi)放式的室外惡劣環(huán)境。

　　若是大范圍的應(yīng)用，F(xiàn)BG光學(xué)傳感系統(tǒng)更適合替代電子傳感器。 而單一光線(xiàn)更可通過(guò)菊鏈(Daisy chained) 方式串聯(lián)數(shù)十組FBG傳感器，包含溫度、應(yīng)變、壓力傳感器均可。 因此可減少必須的接線(xiàn)維護(hù)與安裝，讓公里計(jì)的系統(tǒng)部署達(dá)到更高成本效益。 此外，F(xiàn)BG光學(xué)傳感采用頻率而非振幅調(diào)制，無(wú)需信號(hào)處理即可傳播較長(zhǎng)的距離(可超過(guò)10公里以上)。

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　　圖4. Micron Optics Inc.所制造的兩款FBG光學(xué)應(yīng)變量表可黏貼或焊接于受測(cè)架構(gòu)上。

　　類(lèi)似于傳統(tǒng)電子傳感器，F(xiàn)BG光學(xué)應(yīng)變量表易受溫度與應(yīng)變的影響。 而FBG首應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。 只要在FBG應(yīng)變傳感器的熱接觸(Thermal contact)附近，安裝FBG溫度傳感器即可達(dá)到溫度補(bǔ)償效果。 將FBG應(yīng)變傳感器波長(zhǎng)偏移減去FBG溫度傳感器波長(zhǎng)偏移，即可得到溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變值。

　　類(lèi)似于箔片應(yīng)變量表，F(xiàn)BG也可補(bǔ)償測(cè)試材料的熱膨脹(Thermal expansion)。 已有多家制造商提供傳感器調(diào)整方程式，提供受測(cè)材料的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of thermal expansion，CTE)。

　　而部署于大范圍地區(qū)的應(yīng)用，往往也必須能承受長(zhǎng)時(shí)間部署。 FBG光學(xué)傳感器可穩(wěn)定用于長(zhǎng)時(shí)間安裝，且只要在初始安裝歸零之后，再不需要后續(xù)校準(zhǔn)。 此外，如NI PXIe-4844等傳感解調(diào)器，直到儀器壽命中止時(shí)，也不再需要額外校準(zhǔn)。

　　結(jié)論

　　電子傳感技術(shù)已普及于多種應(yīng)用中。 若是將動(dòng)態(tài)短期系統(tǒng)部署于受控制的環(huán)境中，則箔片應(yīng)變量表是最高成本效益的選擇。 振弦系統(tǒng)則適用于長(zhǎng)期部署，但必須評(píng)估可能的EMI暴露量。

　　在光學(xué)傳感問(wèn)世之后，工程師與科學(xué)家可進(jìn)一步達(dá)成之前高難度的應(yīng)變測(cè)量;甚至振弦或箔片應(yīng)變量表都不可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，現(xiàn)在均可迎刃而解。 這些應(yīng)用領(lǐng)域則可解決高EMI或高電壓，以及大地區(qū)的長(zhǎng)期部署。

　　許多實(shí)際應(yīng)用可能需要混合方式，以整合電子與光學(xué)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。 NI模塊化PXI硬件則可滿(mǎn)足混合式I/O的需求。 此外，NI LabVIEW圖形化編程設(shè)計(jì)軟件的強(qiáng)大功能更可靈活采集、分析、呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。