(3.7.1)--3.7传感器测量原理-光纤传感器.ppt

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1、土木工程测试技术土木工程测试技术1 1 传感器测量原理传感器测量原理内容提纲1.传感器定义、组成及其分类2.应力计和应变计原理3.电阻应变片4.电阻式测试系统5.振弦式传感器6.振弦式测试系统7.光纤传感器3 3.7 3.7 光纤传感器光纤传感器定义光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维。光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。优点 电绝缘性和化学稳定性。抗电磁干扰能力强。非侵入性。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。4u 3.7 光纤传感器-光纤的结构

2、纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。5u 3.7 光纤传感器-光纤导光原理当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成i角时，在端面发生折射进入光纤后,又以i角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角i小于临界入射角（Critical angle）c时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出光是一种电磁波波动理论几何光学6u 3.7 光纤传感器

3、-光纤布拉格光栅传感器 FBG是在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，它是直接在光纤纤芯中写入周期性的条纹入射光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性调制光纤的光敏特性 7u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 精度：1个微应变 0.1 解调频率：数千Hz 反射条件：8u 3.7 光纤传感器-光纤传感技术 利用光纤光栅的平均折射率和栅格周期对外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动，通过检测光栅波长移动实现对外界参量的测量。光纤传感技术光纤传感技术准分布布拉格光纤光栅（FBG）拉曼散射技术（ROTDR）自发布里渊散射技术（BOTDR

4、）布里渊时域分析技术（BOTDA）复利用 散射原理布里渊频域分析技术（BOFDA）光时域散射技术（OTDR）布里渊9Lon Brillouin(1889-1969)法国物理学家，量子力学与固体物理的先驱。他在1920年前后率先对声波引起的散射进行了研究，发现了散射光频率漂移的现象。80年代后期，有少数的学者尝试利用布里渊散射效应，开发一种新型的传感器。布里渊散射光u 3.7 光纤传感器-布里渊散射光102023/5/26 10透射光脉冲入射光 散射光背向散射光激光探测器光纤频率强度拉曼散射光 拉曼散射光入射光瑞利散射光布里渊散射光升温 降温 拉伸 压缩10u 3.7 光纤传感器-布里渊散射光1

5、12023/5/26 11光时域反射技术（OTDR）光纤的弯折、断裂导致反射光增强，根据信号获取时间和距离的关系，即可对异常点位进行定位分析u 3.7 光纤传感器-布里渊散射光12BOTDR传感原理2023/5/26 12BOTDR是Brillouin Optical Time Domain Reflectometer 的缩写中文名：布里渊光时域反射技术u 3.7 光纤传感器-BOTDR传感原理13BOTDR解调设备(Advantest N8511)单端无损测试工作波长 1550nm5nm光纤类型 单模最大动态范围115dB空间分辨率 1m测距准确度(0.2 2 取样间隔210-5 距离)(m

6、)应变测试精度20.005%(10-20ns)0.001%(50-200ns)应变测试重复性 0.01%应变测试范围-1.5%+1.5%测试量程 0.5、1、2、5、10、20、40、80km最高采样分辨率 0.05m采样点数 20000外形尺寸 435(宽)230(高)495(深)mm重量 20kg环境适应性工作温度：0+40；存储温度：-20+65 相对湿度：5 90，无结露BOTDR解调设备(AV6419)u 3.7 光纤传感器-BOTDR传感原理142023/5/26 14分布式光纤传感技术分类分布式光纤传感技术准分布布拉格光纤光栅（FBG）拉曼散射技术（ROTDR）自发布里渊散射技术

7、（BOTDR）布里渊时域分析技术（BOTDA）复利用 散射原理布里渊频域分析技术（BOFDA）光时域散射技术（OTDR）u 3.7 光纤传感器15Brillouin Optical Time Domain Analysis 中文名：受激布里渊光时域分析仪分布式应变/温度感测技术-BOTDAu 3.7 光纤传感器-BOTDA传感原理脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术。1在导入脉冲光之前，加载适当的脉冲预泵浦光，预先激发声子2通过适当的设置脉冲光与脉冲预泵浦光的功率比，可以降低多余的输出功率。172023/5/26 17分布式光纤传感技术分类分布式光纤传感技术准分布布拉格光纤光栅（FBG）拉曼散射技术

8、（ROTDR）自发布里渊散射技术（BOTDR）布里渊时域分析技术（BOTDA）复利用 散射原理布里渊频域分析技术（BOFDA）光时域散射技术（OTDR）u 3.7 光纤传感器18BOFDA 是Brillouin Optical Frequency Domain Analysis 的缩写中文名：布里渊光频域分析仪分布式应变/温度感测技术-BOFDA可变的调制频率fm连续光u 3.7 光纤传感器-BOFDA传感19BOFDA解调设备(fibris terre fTB121)性能特点及技术参数 光纤类型 标准单模光纤 连接方式 E-2000/APC 传感结构 回路 最大传感距离 24Km 空间分辨率

9、 0.5m 动态范围 10dB 测量参数 布里渊平移、温度、应变 分辨率 应变 2温度 0.1 布里渊频移 100KHz测量时间 200m 30s 2km 2min 12km 5min 主机重量 8.5Kg 功耗 50w*双端无损测试u 3.7 光纤传感器-BOFDA传感20三种分布式感测技术解调仪器的参数对比2023/5/26 20u 3.7 光纤传感器评价仪器性能的主要指标：1、空间分辨率：光纤上可以分辨出两点的最短距离 2、应变重复性：同一仪器对相同条件下的光纤应变测试值的相互一致程度 3、测试距离21 u 3.7 光纤传感器-分布式监测22国际上：已成为一些发达国家如日本、瑞士、加拿大

10、、美国、韩国、法国、英国等国的研究热点和重大科研课题，特别是日本，岩土体变形分布式监测已成为日本JSPS和建设省的重大课题国内：始于本课题组在南京大学985工程项目、国家杰出青年科学基金和国家教育部重点项目的支持下于2000年开始的；近五年来，国内一些科研单位也相继开展了这方面的研究工作，如中国地质调查局、中国地质科学院岩溶地质研究所、国电公司大坝安全监察中心2023/5/26 22u 3.7 光纤传感器-国内外研究和应用现状232023/5/26 23光缆封装方式光缆铺设工艺传感器的成活率温度/应变补偿准确的获取应变/温度信息解调仪器系统集成待测物理力学参数信息u 3.7 光纤传感器-分布式

11、监测技术环节24u 岩土体本身的特点 岩土体结构复杂，是自然历史的产物 岩 土 体 规 模 一 般 都 较 大，长 度 可 达 几 十，甚 至 几 百 公 里 如 长 江 堤 防；范 围 可 达 几 百 平 方 公 里 如 冻 土 地 区 的 应 变 场 监 测；体 积 达 到 几 千 万方如一些大型边坡体 岩土体变形的发生和发展变化规律复杂 监测环境恶劣，传感器件安装困难，受自然和人为因素影响大u 技术上的瓶颈 调制解调技术 传感材料的性质 线形传感器的布设和有效数据采集 因 此 要 实 现 岩 土 体 变 形 的 分 布 式 监 测，比 钢 筋 混 凝 土 的 结 构 监测要困难和复杂得多

12、u 3.7 光纤传感器-技术瓶颈25优点 缺点 主要应用0.25裸光纤 涂覆薄，应变传递性好 太脆弱，易断定点铺设涂覆易滑脱实验室结构模拟试验0.9紧包护套光纤 抗 拉、抗 折 强 度 提 升；应变传递性较好。脆弱，易断；施工要求高；室 内 模 拟 试 验；条 件 简单 工 程 的 定 点 拉 伸 布 设、表面粘贴或浅埋；2mm聚氨酯光纤 模量低，抗拉强度高；施工中易差异应变大；结 构 浅 表 埋 入 应 变 监 测；土 体、沥 青 等 软 体 工 程监测；金属基带式应变传感光缆抗 拉 强 度 高，差 异 应 变 小，与结构耦合性好施 工 中 易 折，开 剥 保 护 要 求高；价格高结构工程变

13、形监测4.5钢绞线光缆 抗破坏性强，易于施工 有护套，存在应变折减 混凝土变形监测；5.0GFRP加筋光缆 抗破坏性强，易于施工 有护套，存在应变折减；混凝土变形监测u 3.7 光纤传感器-传感光缆应用现状26类别 项目 指标值 备注外形及基本属性截面形状 圆形光缆直径 5.0 mm 误差0.2 mm纤芯直径 0.9 mm 紧套光纤长期工作温度 080 光学与力学性能纤芯类型 单模 G.652B 布里渊频谱为单峰有效群折射率 1.467 1550nm0.5db事件点 无 测试长度500 m光纤损耗值 0.29dB/km 200 m区间最小弯曲半径 3 cm 取光缆弯曲折断值弯曲恢复系数 97%

14、抗拉力 2350 N 钢丝拉断弹性模量 42 GPa传感性能频移-应变系数 0.04998 MHz/10-6定点拉伸频移-温度系数 1.775 MHz/恒温水浴槽标定影响区长度 42 cm纤维加强单芯光缆用途：混凝土变形 岩体变形 桩身内力 表面应变u 3.7 光纤传感器-传感光缆应用现状27分布式定点光缆 采用独特内定点设计，实现空间非连续非均匀应变分段测量，配合分布式光纤传感技术使用。具有极好的机械性能和抗拉抗压性能，能与岩土体、混凝土等结构很好耦合。施工便捷，同时能抵御各种恶劣工况环境。用途：地面沉降 地裂缝 混凝土开裂 古建筑变形 u 3.7 光纤传感器-传感光缆应用现状28铺设可行性

15、抗损性初始应变及均一性耐久性应变监测光缆变形协调性应变传递性挤压抗弯性（内部埋入式）有效触胶面积（表面粘贴式）温度补偿光缆温度传递性纤芯自由程度温度系数稳定性u 3.7 光纤传感器-监测光缆比选参考要素29光纤传感技术优势.抗电磁干扰抗腐蚀电绝缘分布式不漏监高性价比高灵敏度优势光纤传感特点：1、光纤作为传感及信号传输媒介2、传感信号是光信号，不带电u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 30光纤传感产品体系FBG产品线监测系统 光纤光栅信号解调设备光纤光栅传感器光纤光栅串DSS产品线DSS产品线解调设备测试服务 监测系统DSS产品线DTS产品线测温仪器监测系统 测试服务 传感光缆感测光缆

16、u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 31传感产品金属基装温度传感光缆 金属基装温度传感光缆 单层钢丝加强中心管束感温光缆高强度铠装测温光缆钢丝编织网铠装光缆塑封芳纶夹钢丝编织管铠装光缆无缝管铠装感温光缆中心管束式温度传感光缆钢丝加强铠装光缆扁平型纤维加强温度传感光缆u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 32传感产品铜带式传感光缆钢绳式传感光缆 纤维加强单芯光缆纤维加强四芯光缆 铝包纤维加强光缆 波纹金属护套光缆聚氨酯紧套光缆定点光缆u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 33通道数 1波长范围 1525 1565nm波长分辨率 1pm重复性 5pm解调速率 15Hz动态

17、范围 40dB每通道最大FBG数量 20功耗 5W尺寸（长*宽*高）251*150*43主机重量 1.3Kg手持式解调仪l坚固的外壳 l防尘防水 l电池可拆卸 l液晶显示屏 l快速操作 l全中文操作系统u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 传感产品34传感产品光学指标通道数 2波长范围 1525nm 1565nm波长分辨率 1pm重复性 2pm解调速率 2Hz动态范围 50dB通道光谱 可查询主机重量 4.4Kg便携解调仪双通道独立测量，实现准分布监测；可同时串各类光纤光栅传感器，实现多用途；7英寸彩色液晶触摸显示屏；支持USB一键存储采集信息；全光谱显示；内置电池可连续工作8小时。u

18、 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 35传感产品光学指标通道数 16波长范围1525 1565nm（15101590nm可选）波长分辨率 0.1pm重复性 1pm解调速率 1100Hz动态范围 50dB光纤光栅网络分析仪十六通道独立测量，可串接多个传感器，实现准分布监测；可同时串接应力、应变、温度、位移、压力、加速度等各类光纤光栅传感器，实现多用途；各通道独立解调速率1100Hz可调；7英寸彩色液晶触摸显示屏，操作便利，直接显示动态监测成果；波长分辨率达到0.1pm；全光谱显示；支持无线远程无线访问；u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 36传感产品单点传感光栅FBG产品线多点

19、传感光栅串特种啁啾光栅用途：传感器封装 科学实验 光学器件u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 37传感产品光纤光栅埋入应变计光纤光栅缆式应变计光纤光栅表面应变计用途：结构微变形 混凝土应变 古建筑变形 岩土体微变形u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 38传感产品光纤光栅孔压计光纤光栅微型渗压计光纤光栅液位计用途：地下水位监测 罐体压力监测 渗流体压力监测 液体液位监测u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 39传感产品光纤光栅静力水准仪光纤光栅位移计用途：结构差异沉降监测 地面变形监测 设备变形监测用途：结构变形与位移监测 裂纹变化监测 分层沉降监测u 3.7 光纤传

20、感器-光纤布拉格光栅传感器 40传感产品光纤光栅迷你土压力计光纤光栅土压力计用途：土压力监测 结构外围压力监测 围岩应力监测u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 41传感产品光纤光栅温度计(工业）光纤光栅温度计（岩土）光纤光栅温度计（电力）用途：电力测温 工业液体测温 环境温度测试u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 42传感产品光纤光栅锚索测力计 光纤光栅钢筋应力计用途：基坑支护 锚索内力测试 锚杆内力测试 钢筋内力测试u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 43监测技术振弦式应变计 FBG应变计 DSS测量方式 点式 准分布式分布式，最小采样间隔可达1cm精度 0.3

21、3FS 1 0.33FS应变范围 3,000 3000 30,000 距离范围不受电阻值增长影响，测试距离非常有限传感光缆作为传感器的同时又是光信号传输通道，最长可达40公里以上传感光缆作为传感器的同时又是光信号传输通道，最长可达80公里系统集成度 低 高 高长期稳定性 中 高 高电磁影响 易受电磁干扰光学器件不受电磁干扰光学器件不受电磁干扰耐腐蚀性 金属部件易锈蚀传感器无金属部件，不易腐蚀传感器无金属部件，不易腐蚀常见应变监测技术比较u 3.7 光纤传感器-光纤布拉格光栅传感器 44应用领域 隧道工程隧道工程及地下工程开挖时将分布应变传感光缆及准分布式传感器植入到支护体和周围岩土体中，可对支

22、护体内力及变形、接触应力、岩土体变形等进行监测控制；工程运营过程中利用先前布置的传感光缆和后期布设的光纤传感器件，对支护内力变化、结构变形及环境温度等进行监测，保障工程安全运营u 3.7 光纤传感器-应用分析 45 该工程的监测对象为湖底隧道工程的衬砌体,采用浅表开槽法植入地模态应变感测光缆，对衬砌混凝土的应变变形、收缩裂缝的开启合变形、温度变形等进行监测工程案例1 玄武湖隧道运营初期衬体变形分布式监测（应变感测光缆）u 3.7 光纤传感器-应用分析 46 该工程新建京石铁路需下穿石太铁路线，采用竖向植入应变传感光缆和水平植入分布式位移监测管，对下穿隧道施工过程中，周围土体变形进行分布式监测。

23、工程案例2 京石家铁路下穿太石线隧道变形分布式监测（分布式位移传感器）直径 水平孔孔深，距离外侧管棚东 管东 管东 管东 管-40-30-20-1000 5 10 15 20距测管顶的距离/m 位移/mm 1月14日 1月18日 1月22日 1月26日 2月1日 2月2日 4月15日 4月16日 4月18日 5月5日 5月9日 5月23日u 3.7 光纤传感器-应用分析 47 该工程长线贯穿软弱地层，沉降变形较大，盾构支护体易发生变形而渗漏，采用分布式应变感测光缆对衬砌变形进行分布式监测，采用内加热渗漏感测光缆对渗漏进行分布探测，并采用FBG静力水准对区间差异沉降进行掌控工程案例3 苏州地铁2

24、号线衬砌变形与渗漏监测（应变传感光缆、渗漏感测光缆、光纤光栅传感器）u 3.7 光纤传感器-应用分析 48边坡坡面传感光纤布设2023/5/2648u 3.7 光纤传感器-应用分析 49 边坡格构梁传感光纤布设2023/5/2649u 3.7 光纤传感器-应用分析 50 锚杆传感光纤布设2023/5/2650u 3.7 光纤传感器-应用分析 51抗滑桩传感光纤布设2023/5/2651u 3.7 光纤传感器-应用分析 5228 天铺设 吊装 灌注成桩 加载 测试桩基光纤传感测试之灌注桩光缆植入u 3.7 光纤传感器-应用分析 53桩基础分布式检测系统桩身内力测试的准确高效性一直是困扰岩土工程界的一项工作，传统的测试方法需要安装数十个传感器，并且引出大量的引线，采用分布式光纤测试技术，可以通过仅有的一根光缆测得整个桩身的轴力和侧摩阻力。振弦钢筋计u 3.7 光纤传感器-应用分析 DSS技术单根光缆直连54挡土墙传感光纤布设2023/5/2654u 3.7 光纤传感器-应用分析 55 自孔底开始计算各段的挠度，依次累加后得到测斜管不同深度处的水平位移。测斜管传感光纤的布设测斜管水平位移计算:2023/5/2655u 3.7 光纤传感器-应用分析