塑料光纤传感器结构健康监测:回顾一下最近的进展

文摘

而许多文学评论发表在最近的光纤传感器在智能结构中的应用研究,这些主要集中在传统的玻璃纤维的使用。廉价的可用性、坚固和大批核心以塑料光纤导致了日益增长的兴趣在他们的研究人员使用低成本的传感器在各种各样的领域包括化学传感、生物医学和一系列物理参数的测量。用于塑料光纤传感原理通常类似于玻璃纤维开发的,但与塑料纤维相关的优势使他们有吸引力的替代传统的玻璃纤维,和他们的能力检测和测量物理参数如压力、压力、负载、温度、位移、压力使他们适用于结构健康监测(SHM)应用程序。越来越多的应用程序作为传感器在结构工程领域的研究和报告文学。本文将提供一个简洁的塑料光纤传感器的应用程序上下文中的监测工程结构的完整性单孔位微吹气扰动。

1。介绍

近年来,结构健康监测已吸引了学术界的重大利益,政府机构和行业参与不同的学科领域,包括民事、船舶、机械、军事、航空航天、发电、海上和石油和天然气。单孔位微吹气扰动的目的是检测损伤起始,随后使用固定传感器监测损伤的发展提供预警和其他有用的信息对成功的干预来保护主人的结构完整性。一些常用于监控参数SHM应用包括检测或测量应变,负荷、位移,影响,ph值、水分、裂缝宽度、振动特征,裂缝的存在。

在过去的二十年里,光纤传感器已经吸引了大量的关注和显示有能力监测为单孔位微吹气扰动应用广泛的身体被测变量。光纤传感在工程结构的优点是众所周知的,这包括他们对电磁辐射的不敏感(特别是在建筑工地附近的发电机),spark-free,本质安全,绝缘和轻量级的,也适合嵌入到结构。到目前为止,许多重要的光纤传感器及其应用已报告给出了复合材料结构的损伤诊断在评论文章其它地方(1,2]。光学fibre-based传感器如光纤布喇格光栅(FBG) intensiometric和polarimetric-type传感器和基于干涉原理(例如,法布里-珀罗)已被证明提供特定的利基领域的应用优势。

各种类型的光纤传感器,传感器intensiometric代表最早的和最直接和基本类型的光纤传感器用于单孔位微吹气扰动(1]。这里的传感原理非常简单,依赖于监控的光信号的强度水平调节的量来衡量。虽然监测光信号的强度水平常常被认为是缺点的可能的力量波动信号电平和外部环境的影响与测量无关的参数(例如,微观和宏观弯曲沿纤维长度),可以使用标准的引用技术来应对这个问题。稳定的可用性和廉价的光源和bend-sensitivity纤维低,灰度的方法提供了优秀的商业前景大规模应用程序从成本效益的角度来看。此外,灰度技术也适用于振动频率分析测量由于精密和绝对测量结构应变或位移值不评估给定传感器有足够的灵敏度检测振动信号的振荡性质。

塑料光纤(pof)大型核心大小(通常直径范围从0.25毫米到1毫米是现成的)和高数值孔径(0.47)很好地作为灰度光纤传感器。事实上,许多的POF传感器开发和演示各种SHM应用近年来基于强度调制使用这些多模纤维(3- - - - - -16]。纤维的核心可能是由polymethymethacrylate (PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)和最近循环透明光学聚合物(CYTOP),提供最低的衰减50 dB /公里在650海里PMMA-based POF相比160 dB /公里。的包覆层纤维通常是由氟化聚合物。目前,大多数突变型POF传感器PMMA-based由于其广泛的可用性和低成本。pof的其他变体包括多核纤维,double-step-index纤维,multi-step-index渐变型纤维和纤维也被引入提高带宽和降低弯曲敏感(通过折射率剖面上的多个较小的核和优化)。单模pof目前获得商业(例如,范式Optics Inc .)全球虽然他们的可用性仍然是有限的。布拉格光栅,它通常适用于单模石英纤维使用紫外线激光创建干涉图样诱导折射率周期性变化的核心,也被证明在掺杂塑料光纤和纯的散装PMMA近年来(17- - - - - -19]。最近,孔结构引入了POF,这些得到了显著的关注是一种很有前途的一类新的传感器应用纤维(20.,21通过模式),实现独特的光学性质洞全长度的纤维。光学特性包括使单模光纤与特征矩阵是由单一材料由光子带隙的影响。与单模POF,单模微结构POF可见损失约1 dB / m,宽是单一模式(理论上的)的波长范围。布喇格光栅(22)和长周期光栅(23在mPOF)创建。优势包括优化的可能性的敏感性不同损失特性的一系列被测变量通过调整孔几何,和使用非对称微结构方向弯曲的敏感性(24]。

除了比他们便宜glass-counterpart、塑料纤维提供更好的比裸玻璃纤维断裂阻力和灵活性。他们还提供缓解终止,安全的通用性和易于处理。据报道,塑料光纤有一个弹性极限10%到1%的二氧化硅和能够承受压力超过30%,没有破损25]-这可能是一个重要的利益结构健康监测应用程序涉及大压力大于由玻璃纤维传感器可测量的。监控内部参数的结构,例如,当它成为理想的混凝土结构内嵌入传感器,POF传感器提供了一个可能的解决方案,因为非常碱性pH值(12)环境的混凝土混合物是腐蚀标准玻璃纤维(26]。此外,水分的存在可以削弱玻璃纤维核心和加速裂纹增长。玻璃为传感器,虽然聚合物涂料可以应用为了保护玻璃纤维的腐蚀环境,这将产生额外的成本。最后,玻璃光纤传感器是脆弱的,一般不是经得起野蛮装卸和在恶劣的工程环境中非常容易骨折。的优势与塑料光纤,密集的研究正在评估其潜在的智能结构和结构健康监测的应用。

2。POF传感器SHM的最近发展

2.1。灰度POF为单孔位微吹气扰动传感器

易于监控光强度水平在这些大型核心纤维突变型(通常是1毫米多模类型)自然导致他们发展灰度传感器。的可用性在昂贵的固态光发射器和探测器POF传感器可以方便地集成到外部设备控制和数据采集系统等。事实上,简单的设计与intensiometric测量导致POF传感器的各种应用程序不仅为单孔位微吹气扰动,但各种各样的其他传感应用程序(27- - - - - -29日]。POF传感器被证明有能力测量参数如应变、曲率、弯曲位移以及检测裂缝在结构受准静态或动态加载(3- - - - - -16]。

一般两类灰度遥感已报告,分组基于光纤是否内在或外在的传感器。在一种内在的传感器,光信号的调制的直接结果光纤的物理变化,以应对一些被测变量(例如,信号变化由于纤维的微观或macro-bending)。另一方面,在一个非本征光纤,光纤外的信号调制发生(例如,信号改变由于改变差距两个裂解纤维表面之间的距离)。

旷et al。3]调查使用低成本、灰度内在POF传感器监测机械响应的塑料标本。在他们的研究中,所使用的塑料纤维(ESKA CK40)是一个1毫米直径突变型多模类型由三菱丽阳有限公司通过删除一段POF的核心在预先设定的长度和包覆层,其目的是促进光损失在这个地区由于减少数量的模式发生全内反射时,纤维弯曲。敏感地区(从70 mm小标本为较大的300毫米)是指出拥有重要的方向敏感性,因此确保POF的段的相对平面定位传感器和加载的方向。研究表明,POF传感器使用表现出高响应性弯曲(strain-normalised光学损耗系数约为/ ε),可以被配置为使它敏感平面轴向载荷通过弯曲的传感区域POF在适当的方向对的方向的应变测量。图1(一)显示了POF传感器的信号周期性弯曲载荷下,图1 (b)说明了传感器的重复性配置为拉伸应变测量。虽然测试停在弯曲和紧张菌株分别为0.7%和1.2%,POF的能力来衡量预计将实现更高的应变值。应变值高达15.8%已报告在单模POF Kiesel et al。30.,31日使用标准的POF)而其他研究测量株高达45%,虽然是指出,根据应变率和温度,纤维可以忍受超过80%应变(32,33]。

POF的潜在使用单孔位微吹气扰动的目的也是研究动态监测能力的纤维复合材料(9,10]。的上限频率测试30 Hz(的限制汽车使用)。POF传感器,相同的理论背景和操作原则旷et al。3),在一个悬臂式复合梁的自由振动监测损伤和损坏的低速冲击后的标本。十分敏感的监测使用的传感器敏感POF阻尼比的变化描述减少postimpact复合梁的弯曲模量和残余力量增加损伤程度的影响。在实验中,POF传感器能够探测到小阻尼比2.5%的变化。在后面的研究(34),POF传感器应用于镍纤维金属层压板监测的变形响应混合层压板和POF信号被发现同意与集中的电子应变仪。激活后的智能纤维金属层压板(件)通过热空气枪,形状记忆合金(SMA)层变形是训练(即根据形状。、弯曲)和POF传感器发现忠实地监控智能复合材料的弯曲响应。图2显示了POF的反应而应变仪读数。

进一步研究使用一个外在的POF传感器监控智能复合的偏转是由旷et al。35]。工作原理是简单的监测传感器依靠光功率传输通过两个裂解光纤表面之间的气隙。两纤维排列在一个住房的纤维可以顺利滑动。裂解表面之间的差距比例应用应变的变化导致发射功率的增加或减少。标准红(650海里)和光电二极管用来照亮和监控测试期间的光功率。在这里,介绍了薄膜加热技术来评估他们的潜力融入智能FML SMA激活。提供传感器反馈信号,POF传感器在智能复合允许偏转或变形响应标本的准确控制。POF传感器使用这里描述的修改是基于设计早期的工作(15]。所需的梁的挠度是预设使用传感器控制器和POF阅读作为反馈信号来实现所需的偏转。梁的挠度标本是通过数据采集装置连续监测记录同时POF传感器输出。图3显示了数据的POF在三个不同的传感器读数FML梁变位(A) (C)。结果表明,FML梁可以精确控制在3%的所需的偏转与很少的过度使用POF反馈数据。

另一种变异的灰度POF为监测提出了结构位移传感器Babchenko et al。4]弯曲的基础上增加了POF,敏感multistructural瑕疵外一侧的核心。创建结构缺陷外一侧的研磨纤维表面的纤维的核心。缺陷的形式创建小划痕垂直于曲线平面相似概念早期的研究(3,7,10]。损失的增加光在敏感地区由于微弯当时相关的位移量。该研究使用一个简单的机械装置,光纤传感器位于顶部和底部板之间的连接到一个测微计允许的弯曲的纤维量的控制。作者认为,通过添加更多的循环的纤维和额外的缺陷POF的曲线的顶端部分,一个便宜的POF传感器可以用来监控各种物理被测变量,包括应变、应力、振动和压力虽然作者没有进行任何具体的研究显示的实际性能提出了传感器监控列出的各种负荷条件。

POF传感器已应用于土木工程领域的混凝土结构的强度和易于处理相比,玻璃纤维传感器。旷et al。11),进行了一系列的弯曲测试在scaled-specimens POF传感器连接梁的底面和显示,使用的传感器是足够的灵敏度检测如图快要裂缝的存在4。裂缝宽度约0.04毫米被成功使用POF传感器探测到。为了提高POF的敏感性梁的挠度和裂纹萌生,POF横截面轮廓的部分被在一个预定的长度(7厘米的一系列航空标本和全面的标本30厘米)的研磨表面的POF使用刀片。原则上,敏化作用过程增加了光纤弯曲时损失模式传播。暴露出纤维芯的熔覆层创建一个隐失场传感器是一种众所周知的技术通常用于传感目的。scaled-specimen测试后,作者展示了POF的使用传感器来监测three-meter-long混凝土梁的响应受到准静态三点弯曲设置横向荷载。在他们的研究中,多模突变型塑料光纤被成功应用于检测初始裂缝梁和随后监控post-crack垂直偏转,最后混凝土梁裂缝检测失败。图5显示了图总结测试结果进行裂纹检测混凝土标本。

在另一项研究中有关混凝土梁结构健康监测,液体外在POF传感器设计是用来监控中心偏转的混凝土试样三点弯曲配置(14]。在这里,四个外在POF传感器每年使用用不同的液体不透明度注入房地产腔示意图见图6(一)。操作的原则是一样的,前面所述的传输光功率在两个表面裂解POF差距监控和相关应用负载或压力。而不是一个气隙,添加一个不透明的液体介质腔的住房增加POF传感器的应变敏感性(约25倍),如图6 (b)。启动后混凝土梁的裂缝底部表面,电应变仪立即失败而POF能够继续监控光束横向载荷下的响应突出POF传感器在电子应变仪的优点在这个特定的应用程序。如数据所示7(一)和7 (b)配置电子应变仪是在第一个梁的裂缝和损坏变得毫无价值限制它的实用性用于结构健康监测地表裂缝经常遇到。POF传感器,但似乎并未影响裂缝和能够继续监测加载过程即使在严重的裂纹损伤(裂缝宽度约2毫米和相应的POF的4.7%)发生钢钢筋混凝土梁试件。自POF传感器连接到梁的两个点(定义其计量长度),裂纹的传播在整个传感器无关紧要的有害影响其测量能力。

针对潜在的POF为振动检测传感器,它也被用于另一个系统识别研究单孔位微吹气扰动在复合梁使用遗传算法作为参数搜索方法。分析使用了POF振动信号的快速傅里叶变换相比与集中的piezofilm传感器和结果表明,传感器能够检测各种模态频率的变化与不同的系统特征或损伤水平(12- - - - - -14]。最高的频率检测研究是超过1 kHz [12)强调vibration-based结构健康监测系统的潜力。

除了混凝土结构,POF传感器已应用于监测大株(定义为大于10%)开发的土工布材料。旷et al。36)报道,灰度传感器用于他们的工作可以定制监控株高达40%或更多。基于先前的设计(15),这个大应变传感器的腔的住房却和示意图见图8。这里使用的POF传感器的基本工作原理依赖于测量两个裂解纤维表面的位移在管。因为POF的两端自由移动应用轴向载荷下,传感器应变测量能力并不局限于屈服应变或POF本身的弹性极限。作者报道,传感器的输出信号是直接相关的分离两个端面孔和传感器最初校准线性变量位移传感器被附加到之前的土工布宿主应变测量。pof可保护聚乙烯夹克和海洋条件下有很好的抵抗破坏,因此是一个海洋环境合适的候选人。廉价的生产和审问,它提出了POF传感器比其他更划算optical-based光纤布喇格光栅(FBG)传感器等传感器比较,POF传感器成本不足1美元而acrylate-recoated光纤光栅传感器通常要花费100美元。更重要的是,一个光纤光栅审问者可以从15000美元到40000美元,而相比之下,可以制造一个灰度系统使用现成的部分突出在200美元的经济吸引力提出系统。

POF也被嵌入在复合材料监测损伤发展。武田et al。5,6)利用小直径多模pof (250米)矩阵裂纹检测的先进纤维复合材料。pof是嵌入在单向和正交铺设复合单手上篮。传感器受到相同的养护周期复合材料,作者成功地演示了将pof嵌入纤维复合材料的可能性。这种方法依靠光学power-strain关系的变化来推断损伤。据报道,单向试样加载时的轴向方向,光功率减少线性应变而没有损害。相比之下,由于正交铺设复合试样的横向裂缝,非线性光学响应是指出裂缝起始后的标本。武田等人认为,这个观察支持他们预测反应和提出的非线性光学响应中观察到的地方变形损坏造成的POF的主机,从而证明了可行性技术检测横向损伤复合材料。

黄等。28嵌入一个chemically-tapered POF在碳纤维复合材料检查潜在的应变测量。在这项研究中,与锥形POF使用了大约10毫米的长度。逐渐减少纤维形成一个更加敏感的隐失场传感器,因为随着纤维直径与压力进一步降低,隐失场进一步渗透到包层呈现敏感应用应变。一系列的拉伸测试进行复合试验梁嵌入式锥形POF传感器。POF是嵌入式的中层four-ply编织碳纤维环氧树脂预浸材料(Stesapreg EP121-C15-53)。复合插入休息在一个相框模具和处理下3条8小时允许固化环氧矩阵。试样随后检查和POF传感器被发现能够承受处理条件。作者表明,嵌入式POF的能力监控多达1.4%应变具有良好的可重复性。

在复合材料中嵌入POF传感器需要仔细选择类型的POF材料由于加工温度不同的材料体系所使用的复合材料。虽然某些类别的POF如聚碳酸酯和CYTOP能够维持较高的处理温度比PMMA POF光学和结构退化,没有遭受重大的复合材料与POF可嵌入传感器显然是局限于选择POF的最高工作温度。

文献综述的基础上,可以得出合理的结论,灰度POF传感器提供一个简单的,在昂贵的但有效的方法在结构健康监测监控特定方面,特别是在高分辨率精确测量并不是应用程序的关键需求。光强的波动的担忧由于macrobending沿着纤维或其他扰动与被测量可以克服小心放置的纤维(如果可能的话)和引用技术,因此不会构成重大障碍其部署。它也显示在上面的评论,明显的简单在传感器设计中,信号审讯和收购,灰度监测方法使用标准的发光二极管,光电探测器和低成本的数据采集单元允许用户实现一个工作系统容易,而不需要昂贵的设备。易于处理大型核心传感器灰度POF在实验室外环境增添了它的吸引力工程结构的健康监测。审查还提供了示例使用灰度POF的传感器测量的应变值小于几百微应变超过40%。传感器也被证明是表面保税或嵌入结构。这些报告突出的灰度POF的传感器测量的多功能性一般表现在工程应用中,确实是单孔位微吹气扰动的首选技术在某些情况下应用程序的仔细考虑后其局限性和福利。

2.2。OTDR-Based POF为单孔位微吹气扰动传感器

分布式应变传感使用单一纤维使监测长部分的结构,在结构健康监测是非常可取的。光学时域reflectrometry (OTDR))是一个众所周知的技术在电信故障分析和最近被应用于多模标准POF应变传感应用。尽管大型纤维核心大小,因此重要的模态色散,一些成功演示了SHM的应用程序。OTDR)遥感利用后向散射光的监测在推出后的光学纤维短光脉冲在光纤的一端。后向散射信号记录作为时间的函数,然后转换成距离测量。扰动,如应变或缺陷沿纤维长度会导致反射峰值或损失后向散射信号扰动的位置。

Husdi中村等人,et al。37,38突变型)两种类型的测试PMMA-based多模纤维Eska总理gh - 4001 p和超级Eska SK-40机械变形和温度的影响在这些纤维的传输和反射特性。商业光子计数OTDR)系统(位置范围内解决10毫米)测量非常弱的反向散射光被用来审问POF传感器。研究显示一些有趣的对OTDR)信号包括响应的影响(我)一个缺陷沿纤维(沿着一条300米长的纤维),(2)一个小弯曲(弯曲直径8毫米至52毫米300米长纤维),(3)横向夹紧(夹在50 mm部分从输入端距离30米),(iv)扭转应变(10毫米的一部分是扭曲的距离40米从输入端沿着一条200米长电缆),(v)轴向应变(超过10厘米的一部分)和(vi)温度(10 m在300米长的电缆是沉浸在各种温度的水)。根据结果,作者建议的可能性,区别对待不同类型的外部扰动的背散射痕迹的特定形状的变化,进一步详细调查将需要关联的各种POF对应用扰动的反应。作者认为,如果可以开发低成本的仪表,POF-OTDR系统将是一个竞争短程分布式SHM候选人。

Fukumoto et al。39]扩展工作POF-OTDR进行可行性测试的分布式应变传感器检测在木质结构变形。在他们的工作中,作者能够探测变形的方向和大小在矩形的四个角木框架。POF的“记忆效应”也研究据报道,当劳损是应用于POF电缆,它可以运用在POF的核心材料的塑性变形,甚至可以利用OTDR)宣读应变后删除。的空间分辨率设置报告是5米使用的传统的突变型PMMA POF (Eska总理gh - 400 l - p)。

POF利用OTDR)技术的应用也被其他地方报道了克雷布斯和工人(32,33,40]。在他们的研究中,标准的硅溶胶- POF是融入土工布材料和证明是测量多达45%的应变能力。在这里,这是观察到的反散射光以非线性的方式增加应变与应变16%地点应用于韧性强。报告的结果同意,Husdi et al。37,38]。由于高损失经验标准SI PMMA (150 dB /公里)、全氟渐变型(GI POF)(损失30 dB /公里)也研究了分布式应变传感。这是观察到纤维的长度监测扩展从100到500年标准PMMA POF这些GI-POFs由于低模态色散渐变型在这些纤维(32,41]。GI-POFs研究,强调,GI-POF展览,而非线性测试后向散射增加约3%应变,上面没有观察到进一步后向散射增加。

除了在土工布材料应变监测,POF也用于检测裂纹张开的砌体结构20毫米步骤2毫米的32]。两个位移传感器被用作参考传感器监测裂缝的宽度不断开放。结果表明,OTDR)后向散射信号增加对裂缝宽度扩大(25毫米)强调使用的可行性POF OTDR)传感器来检测混凝土结构裂缝砌体广告。POF传感器是集成到一个土工布,然后出现在混凝土梁与小pre-crack标本。后向散射信号两个纺织标本被发现合理线性地增加(大约0.05 dB /毫米裂缝宽度)尽管作者强调,需要进行进一步的试验来获取结果重现性。

尽管上述技术优秀的监控久,大部分结构/材料,它主要适用于准静态测量数据采集和处理时间需要几秒钟到几分钟的特别是高分辨率测量扩展POF长度对用户很重要。利用OTDR)技术测量应变的应变水平只会是有意义的,如果1%以上的顺序和标距长度几十厘米到1米。这将是适合非常大的结构等大型菌株POF-OTDR传感器的部署中土工织物材料上面的评论,但可能会遇到问题,如果应用于较小的结构维度。此外,POF OTDR)设备可能是非常昂贵的在大多数情况下,因此局限于特殊的利基领域的分布式应变监测能力开发和他们的初始投资可能是合理的。

2.3。Interferometric-Based POF传感器

最近进展单模pof的制造成为可能的使用这些纤维对大变形应用基于干涉传感技术。这里的操作涉及的监测原理的相移光传播在测试纤维在应用纤维应变相对于一个不牵强附会的参考。使用干涉相移是监控设置,允许在有限范围的应变测量值,尽管它还报道,用另一种方法基于飞行时间绝对位置遥测仪测量相移技术被报道用于应变测量应变在单模PMMA纤维(15.8%30.]。高精度和免疫力由于光源波动和弯曲的纤维与interferometric-based优势相关技术和自单模纤维直径小多模同行相比,他们更少侵入的情况下埋置可能导致不连续的几何增长,例如,嵌入式传感器在复合材料。另一方面,然而,保健和技能需要成功地分裂和这些单模纤维在一起,尤其是在环境领域,以确保最小耦合损失除了固有的光损失由于纤维材料本身(通常150 dB / m在1500海里)。

初步研究Silva-Lopez et al。42]报道的敏感性染料掺杂单模PMMA纤维使用马赫曾德耳干涉应变和温度设置。纤维的研究涉及到装运在翻译阶段,作者报道阶段敏感性(rad / m)纤维的应变范围为0 - 0.04%。利- et al。30.)进行了进一步的实验使用单模POF的纤维检测他们的应变响应失败,以确定应变率的校准系数从0.01 /分钟,至3.05 /分钟。典型的失败POF标本用30%的菌株。他们报道一个上限15.8%的名义应变的边缘可见性指示使用的纤维的最大应变可能POF测试使用设置在他们的研究。校准线性和非线性系数被发现rad / m和分别rad / m。

基于纤维拉伸应变测量1毫米直径的多模PMMA POF被Poisel[演示了最近43]。作者监控相移正弦信号的纤维在不同拉伸加载(对应于提高POF从0到500的延伸50米的步骤米)。审讯设置依赖于检测交通时代的差异通过聚合物光纤(POF)使用电子移相器。分辨率为10m扩展被报道可以拉伸下设置。简单的系统也证明是敏感弯曲加载和测量动态加载5赫兹的能力。

这些研究表明潜在的质问拉伸纤维的截面应变监测。然而,仍有有限的工作证明这项技术的高动态应变测量功能(可申请SHM应用程序)。此外,干涉传感一般需要一个稳定的平台由于其易感性vibration-induced噪声,因此进一步的工作需要在这之前POF应变传感方法可以应用在现实结构。

2.4。其他POF-Based传感器SHM的应用程序

光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变能力是众所周知的测量和光栅通常用石英光纤,有据可查的其他地方的基础(47,48]。简单地说,它涉及监控的转变或共振峰值波长的反射或透射光谱产生的纤维应用应变。的可能性绝对grating-based光纤传感器应变测量和多路复用能力问题受到越来越多的重视,在结构健康监测中的应用。单孔位微吹气扰动的应用,光纤光栅上广泛发表的许多文章监测各种各样的物理参数(1,2]。监测这类纤维的应变传感器依靠检测的中心波长反射谱的转变作为应用应变响应。

能够引起周期性的折射率改变聚合物光纤是最近才出现的,这进一步开辟了SHM使用grating-based传感器的应用程序可用性以来POF-based光纤光栅传感器提供了易于处理、高应变敏感性(1.48点/ε而1.15点/ε石英光纤光栅的波长为1523 nm)和更高的应变极限(3.61%应变相比0.5石英光纤光栅应变-0.6%)(17- - - - - -19,45,46]。尽管更多的工作和注意力需要进一步提高和理解光栅写作过程中聚合物纤维,其潜力SHM是显而易见的。使用的可能性POF-based光纤光栅传感器的应变和温度测量报告和显示允许应变监测测量上限的7倍的二氧化硅同行(45,46]。所使用的传感器表现出良好的再现性和可逆性的大应变传感范围。在他们的研究中,作者表明,聚合物光纤光栅传感器能够维持3%应变屈服之前,利用聚合物和硅光纤光栅,可以区分的影响温度和应变传感器读出(46]。使用矩阵反演技术和解决温度的变化,和应变的变化,制定使用的应变和温度敏感性POF-FBG silica-FBG,分别技术允许应用应变和温度同时确定。

作为响应缺乏合适的单模POF的商业可用性,克雷布斯et al。44)演示了使用锥形多模标准POF和非锥形GI-POF创建grating-based传感器。作者成功地生成锥形POF的光栅(从原来的0.75毫米纤维到0.2毫米)和非锥形GI-POF标本显示强烈的反射光谱在特定位置沿POF用OTDR)技术和报道,可以测量积分应变沿纤维和解决当地的菌株在不同的位置。

写长周期光栅(液化石油气)pof最近报道(19]虽然似乎没有发表在文献工作应变传感的应用程序。李等人报道的成功诱导光栅在一个高度光敏POF芯使用传统photo-etching技术与低成本的高压汞灯作为光源,但没有机械试验进行评估传感器产生的机械反应。写了液化石油气的透射谱证明损失3 dB的峰值波长1568 nm;尽管PMMA在可见光谱峰值传输,可能与光纤通信接口与玻璃光纤光谱仪和光源,使用。布喇格光栅的可见光谱,需要周期性的折射率光栅是183到216海里;长周期光栅的周期是100年到500年m所以它可以很容易地由直接激光写作。缺乏出版工作的一个原因是由于供应短缺的优质商用单模掺POF低损耗和光敏性,另一个是缺乏单模POF连接器由于纤维生产非标准直径。

聚合物纤维的最新发展之一的研究吸引了大量关注是微结构POF (mPOF)。这种类型的POF易于制造和一致的质量,但目前尚未投放市场,尽管它可能是用于研究群体热衷于mPOFs找到应用程序。有趣的是液化石油气也被捏造mPOFs和测试的机械反应(49]。mPOF是理想的光纤光栅和液化石油气,很容易处理,因为mPOF还大直径和无休止单模沿着它的长度与单模POF相比低损耗。mPOF的微观运行的空气通道沿纤维长度定义光引导机制与纤维材料的折射率的变化在传统POF [21]。两个使用液化石油气的主要优势在mPOFs标准PMMA纤维包括优化的可能性损失的敏感性特征对应不同被测变量的兴趣通过改变孔几何mPOFs [21]和引入方向弯曲的可能性敏感性[24]。液化石油气被机械引进mPOFs印记使用长15厘米模板(1毫米)放置在加热纤维和在他们的研究中,大型et al。25mPOF的]研究了粘弹性性质和报道,光谱特性的转变压力高达8%是可能虽然高于2%应变非线性响应明显。低于2%应变峰值波长的变化,应变能计算大约1.2点/ε。研究还显示不可逆变形反应10小时后由于病毒亲缘蠕变应变恒定应变为3%。此外,作者还报道的波长偏移4海里由于材料松弛菌株的6%。在间歇紧张的情况下应用于mPOF液化石油气传感器应变2%,作者认为,粘弹性的影响(时间、应变速率和应变大小)是小虽然时间效应等放松在恒定应变和应变复苏可能变得重要。在单孔位微吹气扰动应用程序认为这些限制是正确理解和接受,mPOF液化石油气传感器可以成功应用。

一般来说,光纤布拉格光栅和长周期光栅传感器审问使用光学频谱分析仪检测波长的反射谱的转变对应应用应变和/或温度。然而,相关审讯设备通常是昂贵的,涉及使用光学频谱分析器和窄带光源如激光二极管。为了规避成本障碍grating-based传感器的广泛采用,黄et al。49)最近发布了一个有趣的灰度设置利用两个长周期光纤光栅,拦截器两光栅之间的核心模式。虽然没有使用的纤维聚合物,这工作是高亮显示的技术应用的潜力的审讯POF-based光栅传感器。原则上,核心模式拦截器作为带通滤波器,阻止非耦合光而满足相位匹配条件的第一个液化石油气会耦合到包层模式。熔覆层的光将被有效地耦合回第二个液化石油气的核心。然后应用于液化石油气的应变。共振波长的相对变化(变化程度的光谱重叠)由于菌株应用于一个液化石油气将导致增加或减少光功率传输。电力监控,然后对应用压力校准。在他们的工作中,作者能够表明,强度与应变通过纤维增加线性传播虽然应变灵敏度(dB /ε)是指出三个时间小于传统单一的长周期光栅光纤传感器(50]。作者还指出小波动产生的发射功率不稳定导致源虽然目前尚不清楚观察到的波动显著影响测量的准确性。尽管系统的低灵敏度(认为是由于液化石油气的更广泛的带宽相对于激光二极管),传输功率的小波动,作者认为,拟议的传感器系统的成本效益将审讯grating-based传感器的应用。POF的引入光栅的可能性了上面的报道中,这将是有趣的进一步发展和现场应用的光栅传感器灰度POF SHM使用这项技术。

3所示。摘要和结论

选择文章的概述的最新进展以塑料光纤传感器的应用。列表总结强调的主要作品和一个简短的比较类型的传感器检查表所示1。技术的概述开始简要介绍传感器和传感技术用于POF强调有关的各种优点和局限性与不同的传感方案。针对易于处理、低成本、大应变能力的POF,用于结构健康监测的重要利益,专为测量应变、曲率、载荷、位移、振动和裂纹检测证明了各种工人。许多不同的方法在灰度等传感审讯,interferometric-based,飞行时间(OTDR-based)和光栅(wavelength-based)已被证明是可行的监控工程材料,如混凝土、砌体、纤维复合材料、土工织物,金属,木材和塑料。还有很多工作要做全面描述POF应对各种物理中遇到被测变量SHM应用特别是新POF材料的最新发展,类型和审讯技术。

确认

资金由* STAR-MPA通过新加坡国立大学核心中心联合资助。r - 264 - 000 - 226 - 490,也没有。r - 264 - 000 - 226 - 305是承认。

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