張工說

上期我們介紹了在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，基于光纖光柵的光學(xué)測(cè)量鏈的優(yōu)勢(shì) 。

這期我將向您展示如何輕松設(shè)計(jì)一個(gè)典型的基于光纖光柵的測(cè)量鏈。

光學(xué)測(cè)量鏈：SHM的完整包

對(duì)于一個(gè)完整的光學(xué)測(cè)量鏈，擁有正確的傳感器只是解決方案的三分之一。還需要有合適的光纖解調(diào)儀以及合適的軟件，才能獲得總體可靠的結(jié)果。傳感器、解調(diào)儀和軟件這三個(gè)部分構(gòu)成完整的光學(xué)測(cè)量鏈。

• 傳感器是用來測(cè)量或“感知”應(yīng)變、溫度、加速度、力甚至傾角的。

• 光纖解調(diào)儀（鏈條中的第二個(gè)組件）也稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它是一個(gè)光電儀器，可以“讀取”FBG傳感器。

• 軟件是讓你查看、記錄和分析你的測(cè)量數(shù)據(jù)的。

那么在選擇這些組件時(shí)應(yīng)注意些什么呢？

1. 傳感器 

以下是在選擇基于FBG技術(shù)的正確光學(xué)傳感器時(shí)要問的一些問題和注意事項(xiàng)：

• 傳感器要安裝在哪里，首選的安裝方法是什么？傳感器可以采用螺栓固定、焊接或膠合，主要取決于其設(shè)計(jì)，這就意味著首選的安裝方法可能會(huì)縮小你的選擇范圍。例如，針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)會(huì)直接選擇點(diǎn)焊，但如果結(jié)構(gòu)是液化天然氣罐（危險(xiǎn)環(huán)境），就必須改為將傳感器膠合于表面。

• 每個(gè)地點(diǎn)的預(yù)期測(cè)量范圍是多少？那么抗疲勞性如何？不同的傳感器有不同的測(cè)量極限和疲勞極限。要進(jìn)行的測(cè)量可能會(huì)限制可選擇傳感器的數(shù)量。

• 你們安裝團(tuán)隊(duì)的專業(yè)水平如何？傳感器和傳感器陣列交貨時(shí)可以帶插頭，可直接安裝，無需使用特殊工具或培訓(xùn)，也可以不帶插頭，具有更大的靈活性。但也需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)，隨時(shí)準(zhǔn)備在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行接頭連接。

• 傳感器將在什么環(huán)境下工作？它們需要是絕緣的嗎？它們需要加強(qiáng)光纜嗎？不同的傳感器在傳感器本身和光纜上提供不同的保護(hù)等級(jí)。

2. 解調(diào)儀 

記住，你的解調(diào)儀是用來測(cè)量你的傳感器所產(chǎn)生的數(shù)值的。以下是選擇解調(diào)儀時(shí)需要注意的幾點(diǎn)：

• 需要的采樣率是多少？使用哪種型號(hào)的一個(gè)決定性因素是設(shè)備的采集速度。

• 波長(zhǎng)測(cè)量所需的絕對(duì)精度是多少？在FBG傳感器上，可以確定分辨率和絕對(duì)精度，不僅可以通過與校準(zhǔn)程序相關(guān)的誤差確定，還可以通過解調(diào)儀的分辨率和精度與傳感器的靈敏度相結(jié)合來確定。有些儀器包括一個(gè)絕對(duì)的NIST可追溯基準(zhǔn)，確保每個(gè)FBG的波長(zhǎng)測(cè)定精度更高。

• 有多少光纖光柵要測(cè)量？解調(diào)儀的可用波長(zhǎng)范圍和光學(xué)連接器的數(shù)量對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的測(cè)量能力。每個(gè)設(shè)備可測(cè)量傳感器的數(shù)量取決于多個(gè)因素：

  - 相對(duì)于設(shè)備的可用波長(zhǎng)范圍而言，每個(gè)傳感器進(jìn)行全面測(cè)量所需的波長(zhǎng)范圍

  - 相對(duì)于設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍而方言，連接和布線造成的傳感器線路上的光學(xué)損失

  - 設(shè)備的處理能力

• 你是在尋找一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備，還是在尋找一個(gè)在測(cè)試或安裝期間使用的系統(tǒng)？帶電池和內(nèi)置計(jì)算機(jī)的設(shè)備可能是測(cè)量的更好選擇，因?yàn)闇y(cè)量時(shí)間短，空間分散。其他設(shè)備有不同的外形尺寸，從而非常適合安裝在19英寸機(jī)架上。

• 你的系統(tǒng)需要何種程度的軟件復(fù)雜性？并非所有的軟件都能與所有類型的解調(diào)儀兼容。

3. 軟件 

這里是選擇軟件時(shí)需要考慮的一些重要事項(xiàng)：

• 軟件界面的用戶友好程度如何？什么樣的視覺反饋是必要的？笨拙、難以使用的軟件會(huì)給你帶來不必要的麻煩，而且沒有任何軟件或驅(qū)動(dòng)程序需要專業(yè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)來操作設(shè)備。

• 你需要如何存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)？是否需要云存儲(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)流？你會(huì)把數(shù)據(jù)放在U盤上嗎？

• 測(cè)量系統(tǒng)上是否有更多的設(shè)備需要同步測(cè)量？較復(fù)雜的軟件允許與一個(gè)以上的設(shè)備（包括不同類型的設(shè)備）結(jié)合使用，而較簡(jiǎn)單的軟件僅限于一個(gè)設(shè)備。

• 該軟件是否針對(duì)某個(gè)獨(dú)特的應(yīng)用？一個(gè)多功能的軟件系統(tǒng)在移動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)使用和實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試中可以同樣可靠。

• 操作人員是否熟悉英語？并非所有的軟件選項(xiàng)都有不同的語言版本。

結(jié)論

基于光纖光柵技術(shù)的光學(xué)傳感器與傳統(tǒng)的電阻式應(yīng)變片相比有許多優(yōu)勢(shì)。從民用基礎(chǔ)設(shè)施和航空航天，到實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和能源等各種應(yīng)用中，這兩類傳感器都可以相互補(bǔ)充。但是為了利用這些優(yōu)勢(shì)，就要為光學(xué)測(cè)量鏈選擇正確的傳感器、解調(diào)儀和軟件。希望這兩期內(nèi)容能夠幫助一些工程師和系統(tǒng)集成商，在涉及到準(zhǔn)確和可靠的應(yīng)變測(cè)量時(shí)做出正確的決定。