光纤布拉格光栅(FBG)光学传感: 高难度应变测量的新方案

　　概览

　　应变测量方法已有长足的进步。 而目前最先进的3项技术分别为电子箔片量表(electrical foil gage)、电子振弦 (Electrical vibrating wire)以及光纤布拉格光栅 (Fiber Bragg Grating，FBG)光学传感器。

　　针对大部分的标准应变感测应用而言，电子感测目前已成为最高效率的解决方案，未来也将持续这一趋势。 但在传统的高难度应用中，光学传感器另已崛起。 恶劣的环境、分布式系統或者长时间部署均体现了光学传感系統的特性，且其效率远高于传统的电子传感器。需要测量解决方案的应用，往往必須兼顾多种传感技术的优点与特性。 因此混合方式就成为重要考量。 本文将简要说明各种技术，并权衡其优缺点。

　　技术介绍

　　电子传感: 金属箔片量表

　　箔片应变量表是通过电阻与导体长度之间的关系，测得应变所发生的变化。 在箔片延展的同时，其长度也跟着变长，因此造成电阻短时间的变化。 若要精确测量电阻的微小变化，就必须通过额外的信号处理，也就是常见的Wheatstone电桥电阻网。 此处是跨电阻网而套用稳定的电压，测得箔片上的等比例电压压降而得出应变。

　　

 

　　图1. 常见的箔片应变量表

　　电子传感：振弦

　　正如其字面意思，振弦(Vibrating wire)传感是利用弦线张力与弦线震动频率之间的关系。 常见的激发震动的方式是驱动电流，使其穿过弦线附近的线圈。 接著将产生磁场，并因其记性而排斥或吸引弦线。 一旦弦线到达稳定状态，会再透过相同的振动线圈测量其震动情形。 接着分析频率资料并将其转换为应变。

　　

 

　　图2. 常见振弦传感器的配置

　　光学传感：光纤布拉格光栅

　　光学传感是通过光线特性而测量物理現象。 FBG即根据玻璃纤维折射率的一系列变化所构建。 先用光纤连至光源，当光线进入应变FBG传感器时，即由光栅属性而反射特殊波长。 在FBG延展的同時，这些光栅之间的间隙也随之变大，进而改变反射光的波长。 接着测得反射光，并将波长中的漂移转换为应变值。

　　

 

　　图3. FBG延展图

　　应用考量

　　表1. 应变传感技术属性摘要

　　箔片应变量表

　　在大多数的受控制环境中，箔片应变量表是最普遍、成本效益最高的解决方案。 箔片应变量表技术非常成熟，因此也具备最高产品系统效益的传感器、信号处理电路、数据采集硬件(DAQ)硬件。 此外，箔片应变量表系统还整合了信号处理与DAQ组件，大大提升了测量效率。 NI C 系列与SC Express模块就是最佳范例。

　　若是大范围的分散式应用，就不适合采用箔片应变量表系统。 在长距离的情况下，让所有箔片应变传感器连接最多10组导线，安装与维护就会变得非常困难。 因长距离导线所造成的电压压降，也让箔片应变量表系统难以实现。 此外，一般箔片应变量表的使用寿命较短，因此长时间的测试和监控应用更需考虑淘汰问题。

　　在恶劣或不受控制的环境中，最好不要部署箔片应变量表系统。 一旦箔片应变发生变化，往往造成毫伏 (Millivolt) 单位的电压变动，而传感器与连线又容易受到电磁干扰(EMI)的影响。 若能让应变量表尽量靠近测量系统，则可缩短导线长度从而降低外部噪音的影响。 但根据应用需求的不同，该方案不一定始终可行。

　　箔片应变量表是动态应变应用(包含风动与冲击测试) 的最常见的传感器。 主要是因为可轻松获得测量硬件，且采样率往往超过1 kHz。 若要实现高速应用時，则DAQ平台也要能处理大量数据。 如PXI Express平台的技术，将提供必要的带宽与同步功能，以采集/传输大量数据。 因此在常见的小范围、受控制的操作环境中，箔片应变是高成本效益、具备完整支持功能的传感器，且同时适用静态与高速动态测量。

　　振弦

　　由于振弦系統可稳定用于长时间部署，因此常用于结构监控应用。

　　只要振弦按其所固定/嵌入的材料完成校准之后，即可稳定且长时间运作。 又因为振弦技术可测量电子信号频率中的变化，所以其本身就具备特定程度的电磁信号防扰功能。 但由于振弦采用的是电子导体，所以若发生如雷击等高电压，可能同时损坏传感器与所连接的DAQ系統。 此外，振弦属于低速传感器(使用1 Hz 階次间隔)，因此必须先进行激活，达到稳定状态，才能开始进行测量。

　　对精确的测量而言，传感器应具备温度补偿功能。 而常见方式即为附加热敏电阻(Thermistor)。 振弦系统中的各组传感器需要2组还是4组导线一般取决于传感器是否拥有温度补偿功能。 若是多组传感器需共用单一接线组合，则可搭配多路架构。 虽然多路架构会降低采样率，但对大多数的长期应变监控应用而言，每分钟取得数个样本就已足够。 但若是为大型的分散式系统实现多路架构，就必须额外考量传感器与DAQ硬件之间的庞大接线数量。

　　振弦系统适用于可能产生少量EMI的长时间部署应用;部署范围最好限于数百米之內;且最好低于每秒1组样本(1 S/s)的采样率。

　　光纤布拉格光栅(FBG)光学传感

　　与传统的电子系统相较，FBG光学应变传感器具有多项优点，特別适用于大范围、长时间部署的恶劣环境。

　　FBG光学传感系统没有采用电子导体，因此可完全不受EMI与高电压的干扰。 这非常适用于传感器靠近噪音源(如电源转换器、天线、电子马达)的应用。 又因为FBG不受雷击影响且抗腐蚀，进而可降低长时间维护成本，更适用于开放式的室外恶劣环境。

　　若是大范围的应用，FBG光学传感系统更适合替代电子传感器。 而单一光线更可通过菊链(Daisy chained) 方式串联数十组FBG传感器，包含温度、应变、压力传感器均可。 因此可减少必须的接线维护与安装，让公里计的系统部署达到更高成本效益。 此外，FBG光学传感采用频率而非振幅调制，无需信号处理即可传播较长的距离(可超过10公里以上)。

　　

 

　　图4. Micron Optics Inc.所制造的两款FBG光学应变量表可黏贴或焊接于受测架构上。

　　类似于传统电子传感器，FBG光学应变量表易受温度与应变的影响。 而FBG首应具备温度补偿功能。 只要在FBG应变传感器的热接触(Thermal contact)附近，安裝FBG温度传感器即可达到温度补偿效果。 将FBG应变传感器波长偏移减去FBG温度传感器波长偏移，即可得到温度补偿的应变值。

　　类似于箔片应变量表，FBG也可补偿测试材料的热膨胀(Thermal expansion)。 已有多家制造商提供传感器调整方程式，提供受测材料的热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion，CTE)。

　　而部署于大范围地区的应用，往往也必须能承受长时间部署。 FBG光学传感器可稳定用于长时间安装，且只要在初始安装归零之后，再不需要后续校准。 此外，如NI PXIe-4844等传感解调器，直到仪器寿命中止时，也不再需要额外校准。

　　结论

　　电子传感技术已普及于多种应用中。 若是将动态短期系统部署于受控制的环境中，则箔片应变量表是最高成本效益的选择。 振弦系统则适用于长期部署，但必须评估可能的EMI暴露量。

　　在光学传感问世之后，工程师与科学家可进一步达成之前高难度的应变测量;甚至振弦或箔片应变量表都不可能实现的应用，现在均可迎刃而解。 这些应用领域则可解决高EMI或高电压，以及大地区的长期部署。

　　许多实际应用可能需要混合方式，以整合电子与光学测量的优点。 NI模块化PXI硬件则可满足混合式I/O的需求。 此外，NI LabVIEW图形化编程设计软件的强大功能更可灵活采集、分析、呈现数据。