巖土工程測(cè)試技術(shù)(第二章)測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

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1、二 測(cè) 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 知 識(shí) u測(cè) 試 將 被 測(cè) 試 值 與 同 種 性 質(zhì) 的 標(biāo) 準(zhǔn) 量 進(jìn) 行 比 較 ， 確 定 被測(cè) 試 值 對(duì) 標(biāo) 準(zhǔn) 量 的 倍 數(shù)u測(cè) 試 系 統(tǒng) 傳 感 器 與 測(cè) 試 儀 表 、 變 換 裝 置 等 的 有 機(jī) 結(jié) 合x n u 1 測(cè) 試 的 一 般 知 識(shí) 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 的 組 成被 測(cè) 對(duì) 象傳 感 器 信 號(hào) 處 理 數(shù) 據(jù) 采 集 信 號(hào) 處 理 信 號(hào) 存 儲(chǔ)信 號(hào) 輸 出信 號(hào) 顯 示輸 入 設(shè) 備 穩(wěn) 壓 電 源 u檢 測(cè) 系 統(tǒng) 對(duì) 傳 感 器 的 要 求 準(zhǔn) 確 性 ： 傳 感 器 的 輸 出 信 號(hào) 必 須 準(zhǔn) 確 地 反 映

2、 其 輸 入 量 ,即 被 測(cè) 量 的 變 化 。 因 此 ， 傳 感 器 的 輸 出 與 輸 入 關(guān) 系 必 須是 嚴(yán) 格 的 單 值 函 數(shù) 關(guān) 系 ， 最 好 是 線 性 關(guān) 系 穩(wěn) 定 性 ： 傳 感 器 的 輸 入 、 輸 出 的 單 值 函 數(shù) 關(guān) 系 最 好 不 隨時(shí) 間 和 溫 度 的 變 化 而 變 化 靈 敏 度 ： 滿 足 工 程 要 求 其 他 ： 如 賴 腐 蝕 性 、 功 耗 、 輸 出 信 號(hào) 形 式 、 體 積 和 售 價(jià)等（ 1） 傳 感 器 （ 2） 數(shù) 據(jù) 采 集u數(shù) 據(jù) 采 集 在 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 中 的 作 用 對(duì) 信 號(hào) 調(diào) 理 后 的 連 續(xù) 模

3、擬 信 號(hào) 進(jìn) 行 離 散 化 并 轉(zhuǎn) 化 成 與模 擬 信 號(hào) 電 壓 幅 度 相 對(duì) 應(yīng) 的 一 系 列 數(shù) 據(jù) 信 息 ,同 時(shí) 以 一定 的 方 式 把 這 些 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù) 及 時(shí) 傳 遞 給 微 處 理 器 或 依 次自 動(dòng) 存 儲(chǔ) （ 3） 信 號(hào) 處 理u信 號(hào) 處 理 摸 塊 是 自 動(dòng) 檢 測(cè) 儀 表 ， 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 處理 和 各 種 控 制 的 中 樞 環(huán) 節(jié) 。 現(xiàn) 代 檢 測(cè) 儀 表 ， 檢 測(cè) 系 統(tǒng)中 的 信 號(hào) 處 理 模 塊 通 常 以 各 種 型 號(hào) 的 嵌 入 式 微 處 理 器 ，專 用 高 速 數(shù) 據(jù) 處 理 器 (DSP)和 大

4、 規(guī) 模 可 編 程 集 成 電 路 ，或 直 接 采 用 工 業(yè) 控 制 計(jì) 算 機(jī) 來 構(gòu) 建 （ 4） 信 號(hào) 顯 示u顯 示 器 是 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 與 人 聯(lián) 系 的 主 要 環(huán) 節(jié) 之 一 ,一 般 可分 為 : 指 示 性 顯 示 ,又 稱 模 擬 式 顯 示 數(shù) 字 式 顯 示 屏 幕 顯 示 （ 5） 信 號(hào) 輸 出u檢 測(cè) 系 統(tǒng) 在 信 號(hào) 處 理 器 計(jì) 算 出 被 測(cè) 參 量 的 瞬 時(shí) 值 后 除 送顯 示 器 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 顯 示 外 ， 通 常 還 需 把 測(cè) 量 值 及 時(shí) 傳 送 給監(jiān) 控 計(jì) 算 機(jī) ， 可 編 程 控 制 器 (PLC)或 其 他 智

5、能 化 終 端 （ 6） 輸 入 設(shè) 備u輸 入 設(shè) 備 是 操 作 人 員 和 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 聯(lián) 系 的 另 一 主 要 環(huán)節(jié) ， 用 于 輸 入 設(shè) 置 參 數(shù) ， 下 達(dá) 有 關(guān) 命 令 等 。 最 常 用的 輸 入 設(shè) 備 是 各 種 鍵 盤 、 撥 碼 盤 、 條 碼 閱 讀 器 等 （ 7） 穩(wěn) 壓 電 源u由 于 工 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng) 通 常 只 提 供 交 流 220V工 頻 電 源 或 +24V直流 電 源 ， 傳 感 器 和 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 通 常 不 經(jīng) 降 壓 、 穩(wěn) 壓 就 無法 直 接 使 用 2 傳 感 器 的 基 本 特 性u(píng)傳 感 器 ： 能 感 受 被 測(cè) 量

6、并 按 照 一 定 規(guī) 律 轉(zhuǎn) 換 成 可 用 輸出 信 號(hào) 的 器 件 或 裝 置u傳 感 器 功 能 ： 檢 測(cè) 和 轉(zhuǎn) 換u敏 感 元 件 ： 傳 感 器 中 能 直 接 感 受 （ 或 響 應(yīng) ） 被 測(cè) 信 息（ 非 電 量 ） 的 元 件u轉(zhuǎn) 換 元 件 ： 指 傳 感 器 中 能 將 敏 感 元 件 的 感 受 （ 或 響 應(yīng) ）信 息 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號(hào) 的 部 分 傳 感 器 性 能 優(yōu) 劣 值 判 定u靜 態(tài) 特 性 當(dāng) 被 測(cè) 量 的 各 個(gè) 值 處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 時(shí) ， 傳 感 器 輸 出 值與 輸 入 值 之 間 關(guān) 系 的 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式 、 曲 線

7、或 數(shù) 表u動(dòng) 態(tài) 特 性 當(dāng) 被 測(cè) 量 的 各 個(gè) 值 隨 時(shí) 間 變 化 時(shí) ， 傳 感 器 的 輸 出 值與 輸 入 值 之 間 關(guān) 系 的 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式 、 曲 線 或 數(shù) 表 （ 1） 線 性 度u傳 感 器 的 輸 入 、 輸 出 間 成 線 性 關(guān) 系 的 程 度2.1 傳 感 器 的 靜 態(tài) 特 性 參 數(shù) 指 標(biāo) （ 2） 靈 敏 度u傳 感 器 在 穩(wěn) 態(tài) 信 號(hào) 作 用 下 輸 出 量 變 化 對(duì) 輸 入 量 變 化的 比 值 （ 3） 分 辨 力u傳 感 器 能 檢 測(cè) 到 的 最 小 輸 入 增 量 稱 為 分 辨 力u在 輸 入 零 點(diǎn) 附 近 的 分 辨

8、力 稱 為 閾 值 （ 4） 測(cè) 量 范 圍 和 量 程 量 程 可 以 用 來 表 示 其 測(cè) 量 范 圍 的 大 小 ， 用 其 測(cè) 量 上限 值 與 下 限 值 的 代 數(shù) 差 來 表 示 量 程 = |測(cè) 量 上 限 值 -測(cè) 量 下 限 值 | （ 5） 遲 滯u在 相 同 測(cè) 量 條 件 下 ， 對(duì) 應(yīng) 于 同 一 大 小 的 輸 入 信 號(hào) ， 傳 感 器正 、 反 行 程 的 輸 出 信 號(hào) 大 小 不 相 等 的 現(xiàn) 象u產(chǎn) 生 原 因 ： 傳 感 器 機(jī) 械 部 分 存 在 摩 擦 、 間 隙 、 松 動(dòng) 、 積 塵等 m axt 100%FSHY （ 6） 重 復(fù) 性u(píng)傳

9、 感 器 在 輸 入 量 按 同 一 方 向 作 全 量 程 多 次 測(cè) 試 時(shí) 所 得 輸入 輸 出 特 性 曲 線 一 致 的 程 度 （ 7） 零 漂 和 溫 漂u零 漂 傳 感 器 在 無 輸 入 或 輸 入 為 另 一 值 時(shí) ， 每 隔 一 定 時(shí) 間 ，其 輸 出 值 偏 離 原 始 值 的 最 大 偏 差 與 滿 量 程 的 百 分 比u溫 漂 溫 度 每 升 高 一 度 ， 傳 感 器 輸 出 值 的 最 大 偏 差 與 滿 量 程的 百 分 比 3 常 用 傳 感 器 的 類 型 和 工 作 原 理u按 傳 感 器 的 構(gòu) 成 進(jìn) 行 分 類 ： 物 性 型 和 結(jié) 構(gòu) 型

10、 u按 傳 感 器 的 輸 入 量 （ 即 被 測(cè) 參 數(shù) ） 進(jìn) 行 分 類 ： 位 移 、速 度 、 溫 度 、 壓 力 傳 感 器 等 u按 傳 感 器 的 輸 出 量 進(jìn) 行 分 類 ： 模 擬 式 和 數(shù) 字 式 u按 傳 感 器 的 基 本 效 應(yīng) 分 類 ： 物 理 型 、 化 學(xué) 型 、 生 物 型u按 傳 感 器 的 工 作 原 理 進(jìn) 行 分 類 ： 應(yīng) 變 式 、 電 容 式 、電 感 式 、 壓 電 式 、 光 電 式 、 熱 電 式 傳 感 器 等 u按 傳 感 器 的 能 量 變 換 關(guān) 系 進(jìn) 行 分 類 ： 有 源 （ 能 量 控 制 型 ） 、 無 源 （ 能

11、 量 變 換 型 ） 內(nèi) 容 提 要u傳 統(tǒng) 傳 感 器 電 阻 應(yīng) 變 片u光 纖 傳 感 器 光 纖 光 柵 傳 感 器 分 布 式 傳 感 技 術(shù) 3.1 電 阻 應(yīng) 變 片 式 傳 感 器非電量應(yīng)變電阻應(yīng)變片彈性原件電阻變化傳 感 器 已 知 導(dǎo) 體 （ 一 根 圓 截 面 的 金 屬 絲 ） 的 電 阻 ：slR 金 屬 的 電 阻 應(yīng) 變 效 應(yīng) ： 金 屬 導(dǎo) 體 （ 電 阻 絲 ） 的 電 阻 值 隨其 變 形 （ 伸 長(zhǎng) 或 縮 短 ） 而 發(fā) 生 變 化 的 一 種 物 理 現(xiàn) 象dLF金 屬 絲 的 原 始 電 阻 金 屬 絲 的 原 始 電 阻 率金 屬 絲 的 原 始

12、 長(zhǎng) 度金 屬 絲 的 原 始 橫 截 面 積3.1.1 工 作 原 理 相 對(duì) 變 化 ： sdsldldRdR 例 如 當(dāng) 金 屬 絲 被 拉 伸 了 的 了 dL， 截 面 積 縮 小 了 ds，而 電 阻 率 變 化 了 dp， 則 ： ssllRR 或 ： ddd dddss 241 4141 2 22 ） ， 則 有（ 或 稱 為 橫 向 變 形 系 數(shù)引 入 泊 松 比 ll ddlldd 或, ll引 入 軸 向 相 對(duì) 變 形 （ 或 稱 為 應(yīng) 變 ） ， 則 有 ： )21(2ssllRR或 ： )21(RR應(yīng) 變 靈 敏 系 數(shù) K KRR 金 屬 材 料 的 電 阻

13、的 相 對(duì) 變化 與 應(yīng) 變 的 關(guān) 系 )21(KRR討論：（ 1） 應(yīng) 變 的 靈 敏 系 數(shù) K受 二 個(gè) 因 素 的 影 響 ：幾 何 形 狀 變 化 的 影 響 電 阻 率 發(fā) 生 變 化 的 影 響 （ 2） 對(duì) 于 金 屬 材 料 ： 21,21 K對(duì) 于 半 導(dǎo) 體 材 料 ： K,21 3.1.2 電 阻 應(yīng) 變 片 的 結(jié) 構(gòu) 電 阻 絲 是 應(yīng) 變 片 的 轉(zhuǎn) 換 元 件 基 底 將 傳 感 器 彈 性 體 表 面 的 應(yīng) 變 傳 遞 到 電 阻 絲 柵 上 的中 間 介 質(zhì) 并 起 到 電 阻 絲 與 彈 性 體 之 間 絕 緣 和 保 護(hù) 的 作 用 黏 合 劑 將

14、電 阻 絲 與 基 底 粘 貼 在 一 起 引 出 線 連 接 測(cè) 量 導(dǎo) 線 3.1.3 電 阻 應(yīng) 變 片 的 分 類電 阻 應(yīng) 變 片 金 屬 應(yīng) 變 片 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 絲 式箔 式薄 膜 式半 導(dǎo) 體 敏 感 條 應(yīng) 用 （ 1） 直 接 測(cè) 量 結(jié) 構(gòu) 的 應(yīng) 變 或 應(yīng) 力（ 2） 將 應(yīng) 變 片 貼 于 彈 性 組 件 上 ， 測(cè) 力 、 位 移 、 壓 力 、 加速 度 等彈 性 組 件 得 到 與 被 測(cè) 量 成 正 比 的 應(yīng) 變 ， 再 由 轉(zhuǎn)變 為 的 變 化 ， 再 由 后 續(xù) 電 路 轉(zhuǎn) 變 為 電 壓 的 變 化R 案 例 1： 橋 梁 固 有 頻 率

15、測(cè) 量原 理 ： 在 橋 中 設(shè) 置 一 三 角 形 障 礙物 ， 利 用 汽 車 礙 時(shí) 的 沖 擊 對(duì) 橋 梁進(jìn) 行 激 勵(lì) ， 再 通 過 應(yīng) 變 片 測(cè) 量 橋梁 動(dòng) 態(tài) 變 形 ， 得 到 橋 梁 固 有 頻 率 。 案 例 2： 電 子 稱 原 理 將 物 品 重 量 通 過 懸 臂梁 轉(zhuǎn) 化 結(jié) 構(gòu) 變 形 再 通 過 應(yīng)變 片 轉(zhuǎn) 化 為 電 量 輸 出 v應(yīng) 變 片 的 優(yōu) 點(diǎn) ：u 測(cè) 量 應(yīng) 變 的 靈 敏 度 和 精 度 高 ， 性 能 穩(wěn) 定 、 可 靠 ， 可 測(cè)1 2 ， 誤 差 小 于 1u 應(yīng) 變 片 尺 寸 小 、 重 量 輕 、 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 使 用

16、 方 便 、 測(cè) 量 速度 快 。 測(cè) 量 時(shí) 對(duì) 被 測(cè) 件 的 工 作 狀 態(tài) 和 應(yīng) 力 分 布 基 本 上 無 影響 。 既 可 用 于 靜 態(tài) 測(cè) 量 ， 又 可 用 于 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量u 測(cè) 量 范 圍 大 。 既 可 測(cè) 量 彈 性 變 形 ， 也 可 測(cè) 量 塑 性 變 形 。變 形 范 圍 可 從 1 2u 適 應(yīng) 性 強(qiáng) 。 可 在 高 溫 、 超 低 溫 、 高 壓 、 水 下 、 強(qiáng) 磁 場(chǎng) 以及 核 輻 射 等 惡 劣 環(huán) 境 下 使 用 ？u 便 于 多 點(diǎn) 測(cè) 量 、 遠(yuǎn) 距 離 測(cè) 量 和 遙 測(cè)u 價(jià) 格 便 宜 ， 品 種 多 ， 工 藝 較 成 熟 ， 便

17、 于 選 擇 和 使 用 ， 可以 測(cè) 量 各 種 物 理 量 (1)當(dāng) 實(shí) 際 使 用 應(yīng) 變 片 的 條 件 與 其 靈 敏 系 數(shù) K的 標(biāo) 定 條 件 不 同時(shí) , 如 0.285或 受 非 單 向 應(yīng) 力 狀 態(tài) ， 由 于 橫 向 效 應(yīng) 的影 響 ， 實(shí) 際 K值 要 改 變 ， 如 仍 按 標(biāo) 稱 靈 敏 系 數(shù) 來 進(jìn) 行 計(jì) 算 , 可 能 造 成 較 大 誤 差(2)應(yīng) 變 片 的 靈 敏 系 數(shù) K是 通 過 抽 樣 測(cè) 定 得 到 的 ， 因 為 應(yīng) 變 片粘 貼 到 試 件 上 以 后 ， 就 不 能 取 下 再 用 ， 所 以 只 能 在 每 批 產(chǎn)品 中 提 取

18、 一 定 比 例 （ 一 般 為 5%） 的 應(yīng) 變 片 ， 測(cè) 定 靈 敏 系 數(shù)K值 ， 然 后 取 其 平 均 值 作 為 這 批 產(chǎn) 品 的 靈 敏 系 數(shù) ， 這 就 是產(chǎn) 品 包 裝 盒 上 注 明 的 “ 標(biāo) 稱 靈 敏 系 數(shù) ”應(yīng) 變 片 的 使 用 說 明 (3)用 應(yīng) 變 片 構(gòu) 成 應(yīng) 變 式 傳 感 器 ， 如 何 將 應(yīng) 變 柵 粘 貼 在基 片 上 是 能 否 將 其 應(yīng) 用 于 測(cè) 量 的 關(guān) 鍵 之 一 ， 因 此 對(duì)粘 合 劑 有 苛 刻 的 要 求 。 常 用 的 粘 合 劑 為 有 機(jī) 粘 合 劑 ，如 硝 化 纖 維 粘 合 劑 ， 用 于 粘 合 紙

19、 質(zhì) 基 底 ； 酚 醛 類 粘合 劑 ， 常 用 于 粘 合 酚 醛 膠 膜 玻 璃 纖 維 布 、 膠 膜 玻 璃纖 維 布 等 。 粘 貼 必 須 遵 循 粘 貼 工 藝 ， 才 有 可 能 使 應(yīng)變 片 正 常 工 作(4)由 于 應(yīng) 變 片 敏 感 柵 是 對(duì) 溫 度 變 化 敏 感 的 材 料 ， 因 此選 用 時(shí) 應(yīng) 注 意 溫 度 的 影 響 u 溫 度 誤 差 產(chǎn) 生 的 原 因 一 是 由 于 電 阻 絲 溫 度 系 數(shù) 的 存 在 ， 當(dāng) 溫 度 改 變 時(shí) ，應(yīng) 變 片 自 身 的 電 阻 值 發(fā) 生 變 化 二 是 當(dāng) 電 阻 絲 與 試 件 材 料 的 線 膨 脹

20、系 數(shù) 不 同 時(shí) ， 溫度 改 變 將 引 起 附 加 變 形 ， 使 應(yīng) 變 片 產(chǎn) 生 附 加 電 阻電 阻 應(yīng) 變 片 的 溫 度 誤 差 敏 感 柵 電 阻 絲 電 阻 的 變 化 值 為 :tRR 00 式 中 溫 度 為 t 時(shí) 電 阻 絲 電 阻 的 變 化 值 ； R0 溫 度 為 t0 時(shí) 的 電 阻 值 ； 電 阻 絲 的 電 阻 溫 度 系 數(shù) ， 表 示 溫 度 變 化 1 時(shí) ，電 阻 的 相 對(duì) 變 化 ； t溫 度 變 化 值 ， t =t t 0。R 0 當(dāng) 環(huán) 境 溫 度 變 化 t 時(shí) ， 粘 貼 在 試 件 表 面 的 應(yīng)變 片 敏 感 柵 材 料 的

21、電 阻 溫 度 系 數(shù) 為(1)溫 度 系 數(shù) 產(chǎn) 生 的 誤 差 0 由 于 敏 感 柵 材 料 和 被 測(cè) 試 件 材 料 兩 者 線 膨 脹 系 數(shù) 不同 ， 當(dāng) 環(huán) 境 溫 度 變 化 t 時(shí) ， 將 引 起 應(yīng) 變 片 的 附 加 應(yīng)變 ， 其 值 為 : t sg 式 中 試 件 材 料 的 線 膨 脹 系 數(shù) ； 敏 感 柵 電 阻 絲 的 線 膨 脹 系 數(shù) 。相 應(yīng) 的 電 阻 變 化 值 為 :g s tKRKRR sg00 (2)不 同 線 膨 脹 系 數(shù) 產(chǎn) 生 的 溫 度 誤 差 可 得 由 于 溫 度 變 化 而 引 起 應(yīng) 變 片 總 的 電 阻 相 對(duì) 變 化

22、量 為式 中 電 阻 應(yīng) 變 片 的 電 阻 溫 度 系 數(shù) 上 式 表 明 ， 因 環(huán) 境 溫 度 改 變 而 引 起 的 附 加 電 阻 的 相對(duì) 變 化 量 除 與 環(huán) 境 溫 度 變 化 有 關(guān) 外 ， 還 與 應(yīng) 變 片 自 身 的性 能 參 數(shù) 以 及 被 測(cè) 試 件 線 膨 脹 系 數(shù) 有 關(guān) ttKtR RRRR sg00 0t總 的 溫 度 誤 差 3.2 光 纖 傳 感 器 光 纖 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 光 纖 傳 感 技 術(shù) 是 20世 紀(jì) 70年 代 伴 隨 著 光 纖 通 信 技 術(shù) 的 發(fā)展 而 出 現(xiàn) 并 迅 速 發(fā) 展 起 來 的 一 種 以 光 為 載 體 、

23、光 纖 為 媒 介 、感 知 和 傳 輸 外 界 信 號(hào) （ 被 測(cè) 量 ） 的 新 型 傳 感 技 術(shù) 傳 感 型 光 纖 傳 感 器u光 波 在 光 纖 中 傳 播 時(shí) 表 征 光 波 的 特 征 參 量 （ 波 長(zhǎng) 、 振 幅 、相 位 、 偏 振 態(tài) 等 ） 因 外 界 因 素 （ 如 溫 度 、 壓 力 、 磁 場(chǎng) 、 電場(chǎng) 、 位 移 、 轉(zhuǎn) 動(dòng) 等 ） 的 作 用 而 間 接 或 直 接 地 發(fā) 生 變 化 ， 從而 可 將 光 纖 用 作 傳 感 元 件 來 探 測(cè) 各 種 物 理 量 光 纖 傳 感 器 被 測(cè) 量 分 類 光 纖 傳 感 器 的 分 類點(diǎn) 式 光 纖 傳 感

24、 器準(zhǔn) 分 布 式 光 纖 傳 感 器分 布 式 光 纖 傳 感 器 邁 克 爾 遜 干 涉 計(jì)法 布 里 珀 羅 干 涉 計(jì) 光 纖 布 拉 格 光 柵 通 過 復(fù) 用 技 術(shù) ， 點(diǎn) 式 傳 感 器 可 以構(gòu) 成 網(wǎng) 絡(luò) 實(shí) 現(xiàn) 準(zhǔn) 分 布 式 測(cè) 量 基 于 瑞 利 反 射 技 術(shù) 的 光 纖 傳 感 器基 于 拉 曼 反 射 技 術(shù) 的 光 纖 傳 感 器 基 于 布 里 淵 反 射 技 術(shù) 的 光 纖 傳 感 器 光 纖 傳 感 器 的 優(yōu) 點(diǎn)u可 實(shí) 現(xiàn) 長(zhǎng) 距 離 檢 測(cè) ， 測(cè) 試 空 間 范 圍 大u應(yīng) 用 范 圍 廣 ， 可 以 對(duì) 溫 度 、 濕 度 、 應(yīng) 力 、 應(yīng)

25、變 、 流 速 、 流 量 、位 移 、 振 動(dòng) 、 化 學(xué) 物 質(zhì) 、 放 射 體 等 多 種 要 素 進(jìn) 行 測(cè) 量u靈 敏 度 高 、 動(dòng) 態(tài) 范 圍 大u耐 高 溫 、 抗 腐 蝕 ， 化 學(xué) 性 能 穩(wěn) 定 ， 不 受 電 磁 干 擾 ， 能 在 較 惡 劣的 環(huán) 境 中 使 用 ， 在 易 燃 易 爆 等 危 險(xiǎn) 條 件 下 也 能 保 證 安 全 工 作u光 纖 體 積 小 ， 易 于 表 面 和 埋 入 式 安 裝 ， 且 不 會(huì) 導(dǎo) 致 被 測(cè) 體 的 機(jī)械 性 能 和 材 料 的 變 化u可 以 串 連 復(fù) 用 ， 用 一 根 光 纖 連 接 多 個(gè) 傳 感 單 元 ， 實(shí)

26、 現(xiàn) 準(zhǔn) 分 布 式 測(cè) 量 （ 如 FBG） ， 甚 至 實(shí) 現(xiàn) 全 分 布 式 測(cè) 量 （ 如 BOTDR）u寬 頻 帶 、 高 速 傳 輸 ， 易 于 系 統(tǒng) 集 成 3.2.1 布 拉 格 光 纖 光 柵 (FBG)u光 纖 光 柵 傳 感 器 現(xiàn) 在 已 稱 為 健 康 監(jiān) 測(cè) 中 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 光纖 傳 感 器 ， 在 整 個(gè) 光 纖 傳 感 器 市 場(chǎng) 中 約 占 44%的 份 額 ， 是目 前 最 有 發(fā) 展 前 途 的 光 纖 傳 感 器 之 一 布 拉 格 光 纖 光 柵 (FBG)傳 感 原 理(1 ) ( ) eB P T B為 FBG中 心 波 長(zhǎng)neff

27、為 纖 芯 的 有 效 折 射 率為 光 纖 光 柵 折 射 率 調(diào) 制 周 期Pe為 有 效 光 彈 系 數(shù)為 光 纖 的 熱 膨 脹 系 數(shù)為 光 纖 的 熱 光 系 數(shù)應(yīng) 變 靈 敏 度 系 數(shù) （ 1-Pe）溫 度 靈 敏 度 系 數(shù) （ ）2B effn 1個(gè) 微 應(yīng) 變 0.1 光 纖 光 柵 的 中 心 波 長(zhǎng) 與 溫 度和 應(yīng) 變 的 關(guān) 系 FBG準(zhǔn) 分 布 式 傳 感 器 測(cè) 量 原 理 圖 動(dòng) 態(tài) 范 圍(dB) 精 度(pm) 波 長(zhǎng) 范 圍(nm) 掃 描 頻 率(Hz) 重 復(fù) 性(pm) 通 道 數(shù) 目(個(gè) )60 1 15201570 5或 0.5 0.01(0

28、.5Hz); 0.2(5Hz) 2(8)si720光 纖 光 柵 傳 感 分 析 儀主 要 技 術(shù) 性 能 指 標(biāo) 3.2.2 基 于 散 射 原 理 的 分 布 式 光 纖 傳 感 技 術(shù)透射光脈沖入射光散射光背向散射光激光探測(cè)器光纖 頻 率 強(qiáng)度 拉 曼 散 射 光 拉 曼 散 射 光 -0 +0 入 射 光 0瑞 利 散 射 光 0 布 里 淵 散 射 光 升 溫降 溫拉 伸壓 縮 分 布 式 光 纖 傳 感 技 術(shù) u瑞 利 散 射 為 彈 性 散 射 ， 散 射 光 的 頻 率 不 發(fā) 生 漂 移u布 里 淵 散 射 和 拉 曼 散 射 均 為 非 彈 性 散 射 ， 散 射 光 的

29、 頻 率 在 散 射 過 程 中 要 發(fā) 生 頻 移 頻 率強(qiáng)度 拉 曼 散 射 光 拉 曼 散 射 光 -0 +0 入 射 光 0瑞 利 散 射 光 0布 里 淵 散 射 光 u分 布 式 光 纖 傳 感 技 術(shù) 通 過 測(cè) 量 光 在 光 纖 中 傳 輸 時(shí) 所產(chǎn) 生 的 散 射 光 ， 根 據(jù) 散 射 光 所 攜 帶 的 溫 度 、 應(yīng) 變 等信 息 ， 同 時(shí) 采 用 光 時(shí) 域 反 射 （ OTDR） 技 術(shù) ， 對(duì) 沿 光纖 傳 輸 路 徑 上 溫 度 、 應(yīng) 變 等 信 息 進(jìn) 行 檢 測(cè)u分 布 式 光 纖 傳 感 技 術(shù) 是 光 纖 傳 感 技 術(shù) 中 最 具 發(fā) 展 前景

30、的 技 術(shù) 之 一u目 前 應(yīng) 用 比 較 多 的 主 要 有 基 于 光 時(shí) 域 反 射 的 光 纖 傳感 技 術(shù) 、 基 于 拉 曼 散 射 的 分 布 式 溫 度 傳 感 技 術(shù) 和 基于 布 里 淵 散 射 的 分 布 式 傳 感 技 術(shù) BOTDR（ 布 里 淵 光 時(shí) 域 反 射 技 術(shù) ） BOTDR檢 測(cè) 原 理 示 意 圖 ( )( , ) (0) B BB B TT TT ( ) (0)(1 )B B TT C T ( ) (0)(1 )B B C 應(yīng) 變 系 數(shù) 0.05MH z/10-6溫 度 系 數(shù) 1.3MH z/ C 布 里 淵 散 射 光 譜 u布 里 淵 散

31、射 光 譜 的 峰 值 點(diǎn) 所對(duì) 應(yīng) 的 中 心 頻 率 即 是 布 里 淵頻 移 Bu B與 光 纖 的 應(yīng) 變 和 溫 度 分 別具 有 良 好 的 線 形 關(guān) 系 測(cè) 量 范 圍 (km) 1， 2， 5， 10， 20， 40， 80空 間 采 樣 間 隔 (m) 1.00， 0.50， 0.20， 0.10， 0.05空 間 定 位 精 度 (m) (2.0 10 5 測(cè) 量 范 圍 (m) 0.2m 2 距 離 采樣 間 隔 (m)應(yīng) 變 測(cè) 量 范 圍 1.5 1.5 （ 15,000 m）脈 沖 寬 度 (ns) 10 20 50 100 200空 間 分 解 度 (m) 1

32、2 5 11 22應(yīng) 變 測(cè) 量 精 度 * 0.004 (40 ) 0.003 (30 )重 復(fù) 性 * 0.04 0.02*測(cè) 量 條 件 ： 平 均 次 數(shù) 214， 頻 率 掃 描 間 隔 10MHzAQ8603的 主 要 技 術(shù) 性 能 指 標(biāo) u布 里 淵 光 時(shí) 域 分 析 （ BOTDA）u布 里 淵 光 頻 域 分 析 （ BOFDA）u布 里 淵 光 相 關(guān) 域 分 析 （ BOCDA） 基 于 BS的 其 它 傳 感 技 術(shù) 4 傳 感 器 選 用 原 則 選 擇 傳 感 器 主 要 考 慮 靈 敏 度 、 響 應(yīng) 特 性 、 線 性 范 圍 、穩(wěn) 定 性 、 精 確 度

33、 、 測(cè) 量 方 式 等 六 個(gè) 方 面 的 問 題 （ 1） 靈 敏 度 一 般 說 來 ， 傳 感 器 靈 敏 度 越 高 越 好 ， 但 ， 在 確 定 靈敏 度 時(shí) ， 要 考 慮 以 下 幾 個(gè) 問 題 a)靈 敏 度 過 高 引 起 的 干 擾 問 題 b)量 程 范 圍 c)交 叉 靈 敏 度 問 題 （ 2） 響 應(yīng) 特 性 傳 感 器 的 響 應(yīng) 特 性 是 指 在 所 測(cè) 頻 率 范 圍 內(nèi) ， 保 持 不失 真 的 測(cè) 量 條 件 實(shí) 際 上 傳 感 器 的 響 應(yīng) 總 不 可 避 免 地 有 一 定 延 遲 ， 但總 希 望 延 遲 的 時(shí) 間 越 短 越 好 （ 3）

34、 線 性 范 圍 任 何 傳 感 器 都 有 一 定 的 線 性 工 作 范 圍 。 在 線 性 范 圍內(nèi) 輸 出 與 輸 入 成 比 例 關(guān) 系 ， 線 性 范 圍 愈 寬 ， 則 表 明 傳 感器 的 工 作 量 程 愈 大 。 傳 感 器 工 作 在 線 性 區(qū) 域 內(nèi) ， 是 保 證測(cè) 量 精 度 的 基 本 條 件 。 （ 4） 穩(wěn) 定 性 穩(wěn) 定 性 是 表 示 傳 感 器 經(jīng) 過 長(zhǎng) 期 使 用 以 后 ， 其 輸 出 特性 不 發(fā) 生 變 化 的 性 能 。 影 響 傳 感 器 穩(wěn) 定 性 的 因 素 是 時(shí) 間與 環(huán) 境（ 5） 精 確 度 傳 感 器 的 精 確 度 是 表 示 傳 感 器 的 輸 出 與 被 測(cè) 量 的 對(duì)應(yīng) 程 度 （ 6） 測(cè) 量 方 式 傳 感 器 工 作 方 式 ， 也 是 選 擇 傳 感 器 時(shí) 應(yīng) 考 慮 的 重 要因 素 。 例 如 ， 接 觸 與 非 接 觸 測(cè) 量 、 破 壞 與 非 破 壞 性 測(cè) 量 、在 線 與 非 在 線 測(cè) 量 等 The end