КонтроллВахенд а Техника (КВТ) ОЮ

Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Германия
Филиал в г.Москве
+7 (495) 226-64-31
+7 (499) 226-64-32


Статьи

05.09.2019

Сравнение оптоволоконной и тензометрической технологии для задач мониторинга объектов инфраструктуры


Сравнение оптоволоконной и тензометрической технологии для задач мониторинга объектов инфраструктуры

Практически каждый тип общественной инфраструктуры, включая мосты, трубопроводы, туннели, фундаменты, дороги, плотины и т. д. подвержен факторам, которые могут ухудшить его или привести к неисправностям. Эти структурные проблемы могут быть результатом износа, неправильных методов строительства, сейсмической активности, близлежащих строительных работ и т. д. Хотя электрические тензодатчики давно используются для мониторинга структурных изменений, им иногда не хватает прочности и целостности, необходимых для предоставления точной, достоверной информации в течение длительных периодов. Оптические тензометрические датчики, основанные на волоконных брэгговских решетках (FBG), работают по совершенно другим принципам, чем традиционные электрические тензодатчики. Проще говоря, волоконная брэгговская решетка представляет собой микроструктуру (обычно длиной несколько миллиметров), созданную путем модификации стандартного одномодового телекоммуникационного волокна, легированного германием, с ультрафиолетовым лазером. Эта микроструктура создает периодическое изменение показателя преломления этого оптического волокна. Поскольку свет распространяется вдоль волокна, брэгговская решетка отражает очень узкий диапазон длин волн; все другие длины волн передаются через решетку. Центр этой полосы отраженных длин волн известен как длина волны Брэгга (Рисунки 1 и 2). Под деформацией период брэгговских решеток (FBG) увеличивается из-за физического растяжения или сжатия оптического волокна. Это изменение приводит к сдвигу длины волны Брэгга, который затем определяется и записывается опросным устройством (то есть системой сбора данных).

Рис1.jpg



















Рисунок 1. Принцип, лежащий в  основе работы тензодатчиков с  волоконной брэгговской  решеткой (FBG).


Рис2.jpg




























Рисунок 2. Изготовление  волоконной брэгговской решетки  методом фазовой маски. Фазовая  маска создает два порядка  преломления падающего  ультрафиолетового света,  создавая схему максимальных и  минимальных помех в сердцевине  волокна. Показатель  преломления волокна постоянно  изменяется в зависимости от  интенсивности света, которому  он подвергается. Это точное  расстояние между различными  оптическими свойствами в  волокне создает решетку Брэгга.


Помимо деформации, волоконные брэгговские решетки чувствительны к температуре. Это позволяет использовать оптоволоконные датчики для контроля температуры, но также означает, что рекомендуется  объединять датчик температуры с датчиком деформации, чтобы обеспечить компенсацию влияния  температуры на датчик деформации. В дополнение к деформации и температуре датчики на основе  брэгговских решеток (FBG) могут использоваться в преобразователях для контроля множества других  параметров, таких как наклон, ускорение, давление и т.д.

Оптические тензометрические датчики на основе брэгговских решеток (FBG) обладают рядом преимуществ  перед электрическими тензодатчиками. Например, они обеспечивают долговременную стабильность сигнала  и долговечность системы; даже при сильных вибрационных нагрузках, например, на проезжих дорогах и  мостах, они гораздо меньше подвержены механическим повреждениям. Расстояние и длина кабеля  практически не влияют на точность измерений. Поскольку системы на основе оптоволокна испытывают  только минимальное затухание сигнала, целостность данных остается высокой, даже если система сбора  данных должна быть расположена в нескольких километрах от самого дальнего датчика. Оптические  волокна намного тоньше и легче медных проводников, поэтому и соединительные провода намного легче.  Один измерительный провод позволяет подключать множество датчиков с разными длинами волн, что  снижает требуемый уровень проводки. Их невосприимчивость к электромагнитным и радиочастотным  помехам (EMI / RFI) может иметь неоценимое значение в таких конструкциях, как железнодорожные мосты  или туннели для электропоездов, которые могут создавать сильные электромагнитные поля.
Использование оптоволоконных датчиков (FBG) позволяет радикально сократить количество проводов в  системах мониторинга из-за присущей данной технологии высокой способности к мультиплексированию, которая обеспечивает минимальное воздействие на контролируемые структуры. В этом контексте «мультиплексирование» относится к возможности подключения множества оптических датчиков различных типов к одному оптическому волокну, что упрощает систему мониторинга и ее монтаж. Измерительные решетки с десятками датчиков могут быть предварительно смонтированы; их легко приклеивать к поверхностям и материалам, точечно приваривать к конструкциям или компонентам, прикреплять или заливать в бетон по мере его заливки. Их небольшой размер и вес также делают их особенно привлекательными для мест с ограниченным пространством и встраиванием, например, в композитных конструкциях. Их сравнительно низкая стоимость за датчик, возможность объединения нескольких типов датчиков в одном кабеле и отсутствие необходимости в использовании нескольких опросных устройств в системе делают их экономически эффективным решением для средних и крупных проектов.

Они также хорошо подходят для использования в суровых условиях. В дополнение к их  помехоустойчивости к электромагнитным и радиочастотным помехам они обладают высокой устойчивостью к снижению работоспособности из-за воды и влажности, соли, экстремальных температур и высокого давления (до 400 бар). Они также безопасны для использования в потенциально взрывоопасных средах и зонах высокого напряжения. В отличие от фольговых тензодатчиков, оптоволоконные датчики (FBG) используются независимо от системы опросное устройство/система сбора данных . Вместо этого они основаны на измерении абсолютного параметра - длины волны Брэгга - который не зависит от колебаний мощности и изменяется только при применении деформации (или изменения температуры). Само оптическое опросное устройство, которое измеряет значения, генерируемые датчиками, также имеет встроенный эталон, который работает как «линейка» для точного определения полученных значений длины волны. Этот внутренний эталон позволяет калибровать опросное устройство с каждым выполненным измерением.
Продолжение статьи в прилагаемом pdf файле