国产DPCF(分布式光子晶体光纤)光纤应变传感器

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一、 DPCF光纤应变传感器介绍
分布式光子晶体光纤(Distributed Photonic Crystal fiber它的横截面上有较复杂的折射率分布,通常含有不同排列形式的气孔,这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度,光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。在光纤受到挤压、弯曲等变形后,返回的光折射率发生变化。由于其结构的特殊性质,光子晶体光纤可以在光的传播过程中感知外界环境的应变变化,从而实现对结构健康状态的监测和预警。
应变光纤是一种专门用于测量应变(物体在受力作用下的形状或尺寸变化)的光纤传感器。它通过光纤内部光信号的传输和变化来感知外部应力的变化,
光子晶体光纤应变测量具有高灵敏度、快速响应和免疫干扰等优点,适用于各种应变测量场合,如制造业、航空航天、军事、石化、电力、结构健康监测、地震监测、油气管道监测等。在未来,光子晶体光纤应变测量技术有望得到更广泛的应用和发展。

二、 光纤应变传感器特点
光子晶体光纤最大的特点是支持分段灵活敷设,断纤可接续测量。
长距离监测
一台采集设备可以监控100KM的区域,如下图所示石油管道为100公里长,在中间50公里处部署一台光纤应变采集仪,使用两个通道分别向两个方向各铺设50公里的单条不连续应变光纤,只需要一台应变采集仪便可以监测100公里的石油输送管线,如果光纤在某处折断,采集仪到折断处的监测不受影响,只需要在折断处重新融光纤即可。
分段灵活敷设
应变光纤可以根据实际需要分段铺设,对于不是监测区域只需要融接普通光纤即可。从而极大的节省了铺设成本。
断纤可接续测量:
如果光纤在铺设或使用过程中发生断裂,可以通过特定的接续技术修复,而且接续后的光纤在测量性能上不会受到明显影响,这大大提高了应变光纤在实际应用中的可靠性和稳定性。
与布里渊光纤对比
布里渊光纤技术利用光纤中自发布里渊散射光功率或频移的变化量与温度和应变变化的线性关系来进行全分布式传感。缺点是必须使用光纤环路测量,即光纤一端发光,另一端收光从而才可以测量,如果光纤损坏则整条光纤报废。
光子晶体光纤则没有这样的问题,如果光纤在某段折断,从断点到数采设备之间依旧可以正常监测,并且可以判断光纤的断点精确到1米范围。

三、 光纤应变传感器参数
测量通道:4通道
感测距离:0-50Km(可定制)
应变监测:量程 8000με;
非线性度: 0.1%FS;
灵敏度: 1με;
采样分辨率:0.1米
定位精度:1米 工作温度:-20℃~80℃

四、 应用场景
应变光纤传感器适用于结构健康监测、油气管道监测、交通行业桥梁、边坡和隧道监测、制造业、航空航天、军事、石化、电力、地震监测、地质灾害预警、文物保护等场所。

结构健康监测(建筑行业): 在建筑结构的监测中,光纤应变传感器具有高精度、高灵敏度和抗干扰能力强的特点。它们被用于实时监测建筑物的受力情况,从而预防建筑物倒塌事故。特别是在高层建筑、大跨度结构等复杂建筑体系中,光纤应变传感器能够准确捕捉结构的微小应变,为结构安全提供有力保障。 对于钢结构,光纤传感技术不仅应用于应变监测,还涉及到温度监测和振动监测等多个方面。传统的应变监测方法往往存在精度难以保证、测量范围窄等问题,而光纤传感技术能够实现更加高精度的应变监测。此外,光纤传感技术还可以精确测量和分析钢结构的温度变化,及时发现火灾等安全隐患。在振动监测方面,光纤传感技术能够实时监测钢结构的振动状态,为结构的稳定性评估提供重要依据。

油气管道监测(石化行业): 光纤应变传感技术具有高精度、高分辨率等特点,能够实时、连续地监测管道的应变情况。这对于油气管道的安全监测具有重要意义,因为实时的应变监测有助于及时发现管道潜在的故障或损伤,从而采取相应的措施进行修复或预防1。 此外,光纤传感器还具有高分辨率、快速响应和宽动态范围等优点,使其能够在高温、高压、辐射、腐蚀等严苛环境下使用,满足复杂环境下的实时监测需求。

桥梁、边坡和隧道监测(交通行业): 光纤应变传感器可以实时监测桥梁各个部位的应变情况。通过将光纤安装在桥梁结构中不同的位置,可以获取桥梁各个部位的应变信息,从而评估桥梁的结构健康状态,发现潜在问题并及时采取修复措施,保证桥梁的安全使用。 光纤应变传感技术不仅可以实时监测边坡的位移、应变等参数,还可以监测温度等环境因素的变化。通过对这些数据的处理和分析,可以及时发现边坡的变形趋势,为灾害预警和防护工作提供科学依据。 光纤应变传感器主要用于隧道变形监测。隧道及地下工程围岩的变形破坏是隧道监测中需要重点关注的问题,而光纤应变传感器可以实时监测隧道围岩的应变变化,掌握其动
态,为在线监测提供重要的数据支持。

军事: 光纤测温系统能够通过感温光缆实时测量仓库中各个点的温度(位置精确到0.1米),无需通电,因此本质安全,具有防爆、防雷、防腐蚀、抗电磁干扰等优点1。这种特性使得光纤测温系统非常适合应用于军事仓库这种对安全要求极高的场所。 光纤测温系统能够实时监测仓库内的温度变化,一旦出现异常温度,如火灾等,系统能够迅速响应并发出报警信号。这对于预防火灾、保护军事物资的安全具有重要意义。 由于光纤测温系统不受电磁干扰的影响,因此在军事仓库中能够更准确地测量温度,避免了传统测温方式可能受到的干扰和误差。 光纤测温在军事仓库中的应用能够有效提高仓库的安全性和温度监测的准确性,对于保护军事物资的安全和防止火灾等意外事故具有重要意义。

地质灾害(包括尾矿库)预警:
应变光纤能够用于地震预警。通过分析光纤传感器实时监测到的地震前后地下介质的变化以及地震波在地下的传播速度和方向,可以提前判断地震的发生时间、强度和影响范围,并及时发布预警信息。
对于滑坡和泥石流等地质灾害,应变光纤能够监测土壤的渗透性、应力和变形等参数的变化,从而判断地表的稳定性。当土壤的稳定性下降到一定程度时,预警系统会及时发出警报,通知相关部门和人员进行疏散和救援工作。
应变光纤还能用于地下水位的监测和预警。当地下水位超过预定的安全水位时,预警系统会及时发出警报,以便采取相应的措施。
具体到应变光纤在覆盖地层深度400米,测点4000个的应用场景中,它解决了地层超深连续变形监测的问题。这种深度覆盖和大量的测点使得监测系统能够更全面地捕捉地质结构的变化,提供更为准确和详细的监测数据。这不仅有助于及时发现地质灾害的征兆,还能够为灾害的预测和预警提供更为可靠的科学依据。

制造业
智能制造与过程优化:应变光纤的测量数据可以集成到智能制造系统中,用于实现生产设计的优化。通过对数据的分析和处理,制造商可以改进生产工艺、提高生产效率,并降低生产成本。
由点到面的精确测量:应变光纤的分布式测量特性使其能够实现由点到面的精确测量。通过在制造过程中的关键位置布置应变光纤,可以获取整个制造系统或结构的应变分布图。这种测量方式不仅提高了测量的精度和可靠性,还为制造商提供了更全面的数据支持,有助于深入了解制造过程和产品质量。