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案例十二 光纤传感技术在建筑中的应用
随着信息技术的快速发展，光纤传感技术在人类的生活和各个领域中得到了广泛的应用。光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。从杭州物联网暨传感技术应用论坛了解到，光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源 环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤传感系统主要由光源、传感器件、探测器等部分组成，光源发出的光经光纤传输至传感元器件；当外界环境因素，如应变、温度、折射率等物理量发生变化时，使得在光纤中传输的光波的某些特性，如强度、波长、偏振态等随外界信号发生变化，这个过程称为调制；调制过的光波信号经光纤传输至探测器后转化为电信号，在经过信号处理就可以获取外界环境的变量信息，这个过程称为解调；光纤传感技术包括调制和解调两方面的技术。
当然在建筑中也有很广泛的应用。比如光纤传感技术在结构工程检测中的应用 钢筋混凝土是目前非常广泛应用的材料，将光纤材料直接埋入混凝土结构内或粘贴在表面，是光纤的主要应用形式，可以检测热应力和固化、扰度、弯曲以及应力和应变等。混凝土在凝固时由于水化作用会在内部产生一个温度梯度，如果其冷却过程不均匀。热应力会使结构产生裂缝，采用光纤传感器埋入混凝土可以监测其内部温度变化，从而控制冷却速度。
混凝土构件的长期挠度和弯曲是人们感兴趣的一个力学问题，为此已研制出能测量结构弯曲和挠度的微弯应变光纤传感器，并用一根光纤连接整个结构不同位置上的传感器进行同时监测，每个传感器的位置可用OTDR来识别。光纤传感器还能探测混凝土结构内部损伤。在正常荷载作用下，由于钢筋阻止干化收缩或温度引起的体积变化都会引起裂缝，裂缝的出现和发展可以通过埋入的光纤中光传播的强度变化而测得。
光纤传感技术在桥梁检测中的应用，桥梁是一个国家的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分。利用光纤传感器测量振动，主要可得到桥梁的振动响应参数如频率、振幅等，其方法是：将信号光纤粘贴于桥梁内部，它随着桥梁的振动而产生振动响应， 输出光的相位作周期性的变化，则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化。
　　成功的案例有：加拿大在1993年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了8个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论处理数据，准确而又快速的评估了桥梁的使用状态及寿命。1996年，美国海军实验研究中心研制了新墨西哥I -10桥健康检测系统，它由60FBG传感器组成，可实现动态与静态应变测量。
光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用，岩土工程检测具有长时效性、环境复杂、具有时空限制、施工环境制约等特点，其检测工作一直是等待解决的难题。目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明，满足上述测试要求十分困难。而由于光纤传感器体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀等诸多优良特性，使用它成为岩土力学工程的检测工具成为学者们的研究对象。下面列举一例成功应用光纤传感器检测岩土工程的成功案例：三峡大坝坝前水温监测，三峡大坝坝体内部靠近上游面埋设有点式温度计，因埋设点位于坝体内，所测温度与实际库水温度存在一定的差异。为了能更真实地反映库水温度的变化规律，长江科学院结合坝前水温观测的实际现状，在左厂14-2坝段布设1条测温垂线，采取光纤Bargg光栅温度传感器进行监测，通过实际工程应用，光纤Bargg光栅温度传感器测量水温，可以满足水温监测的要求，且与水银温度计直接测量水温相比，结果较好。
随着社会经济的快速发展和各种信息容量的飞速增加，以光纤为传递信息主要媒质的光纤通信技术和以光纤中的导波原理为理论基础的光纤传感技术在人类过去几十年的生活和许多其他领域中得到了越来越广泛的应用和重视，吸引了人们极大的研究兴趣。光纤传感器应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。其应用范围十分广泛，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题。因此我们可以说光纤传感器具有很大的市场需求，不说长久，至少在未来5年，光纤传感器将会有广阔的发展前景。光纤传感技术是随着光纤通信技术的发展而发展起来的，以光波为信息载体、以光纤为传输介质或传感元件，把“传输”和“感知”这两项技术合二为一。在过去的几十年里，光纤传感器在传感原理和结构以及器件的制备工艺等方面得到了不断的发展，研制出了许多新的光纤传感器件。光纤传感器相对于其它一些传统的如电传感器等有着自身体积小易于植入、不受电磁干扰等优点。当前光纤传感技术的研究热点主要在于光纤传感器件的研发及其在各个领域的应用研发。在众多的光纤传感器中，光纤陀螺和光纤光栅传感器是最具影响力的两种光纤传感器。而在于应用领域，智能电网建设是国家“十二五”规划纲要中指出要重点发展的新能源产业，传感器是智能电网信息采集末梢不可或缺的关键元器件，光纤传感器在电力系统中具有广阔的市场前景，将在智能电网建设中发挥巨大作用。
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电阻应变片传感器在煤矿中的应用
1.背景
现代测量技术涉及到众多的非电量，如重量、加速度、力和力矩、压力等力学量或者其它一些等化学量。这些物理量进行直接测量时非常困难或者不方便,需用一种转换装置将其转化为易于测量、传输和处理的电量,这种装置就是传感器，其中压力传感器在工业现场中应用非常广泛。压力传感器检测技术是以获取压力信号，同时再经一些转换电路转换为电信号,进行显示或提供给控制电路,以达到过程控制的目的装置。
近年来我国煤矿安全事故时有发生，安全形势十分严峻。在采矿生产过程中最常发生的就是冒顶事故。冒顶是由于煤矿岩石的稳定性差，当强大的地压传递在顶板或两侧时，使岩石遭受破坏而引发。为了预防冒顶事故的发生，应该掌握矿井顶板压力规律。通过实时监测顶板压力的变化，来研究矿井顶板压力的规律，从而采取预防措施，有效地防止事故的发生。
2.简介
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。
3.工作原理
（1）变换原理
当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化应变片：
F→ε→dR/R→U
（2）测量原理
（3）结构原理
4.应用特点
①精度高，测量范围广；
②使用寿命长，性能稳定可靠；
③结构简单，体积小，重量轻；
④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；
⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。
缺点：温度稳定性差，灵敏度离散大以及在较大应变作用下非线性误差大。
5.试现场存在的问题
（1） 现场打磨测点、防潮、贴片等准备工作复杂。
（2） 因为电阻应变片是有一定长度的，它所测量的是在该长度的平均应变，不能很好的反映真实的点应变。
（3）在测试电路方面，根据选择的不同电路接法对实验的灵敏度不同，从而导致实验误差。
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电容式转速传感器
1.变面积式电容传感器工作原理
如图1所示是常见的变面积式电容传感器的结构示意图。变面积式电容传感器可分为：线位移式电容传感器如图1（a）、角位移式电容传感器如图1（b）、圆柱式线位移电容传感器如图1（c）（d）。 测量范围比变间隙式大，可以测量较大范围的现位于和角位移。图1（c）、（d）中所示1、3为固定电容板，2为可动电容板。而该应用实例的工作原理就是线位移式电容传感器的工作原理。
图1 表面积式电容传感器结构示意图
线位移式电容传感器的工作原理（如图2为线位移式电容传感器工作原理图）：
图2线位移式电容传感器工作原理图
极板起始覆盖面积为A = a b，沿活动极板长度方向移动Δa，则改变了两极板间覆盖的面积，忽略边缘效应，改变后的电容量为
式中——极板的长度；
——极板的宽度。
电容的变化量为
灵敏度为
灵敏度系数为常数，可见减小极板长度可提高灵敏度，而极板的起始覆盖宽度b与灵敏度系数无关。但b不能太小，必须保证b＞＞d，否则边缘处不均匀电场的影响将增大。
2.电容式转速传感器结构及测量原理
电容式转速传感器是一种电参数型数字式转速传感器。工作时，齿盘随被测轴转动，周期性的改变电容器电极板之间的相对面积，电容量发生周期变化，即传感器利用电容变换原理将被测轴机械转速变换成电容参数量，传感器输出的电容参数信号的频率与被测转速成正比。
图3电容式转速传感器的结构原理图
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差动变压器的应用——振动测量实验
一、实验目的
了解差动变压器测量振动的方法。
二、实验内容
通过实验说明利用差动螺管式电感传感器可以进行较大动态范围的测试。
三、实验仪器
音频振荡器、差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、数显单元、低频振荡器、振动源模块、示波器、直流稳压电源。
四、实验原理
利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同。
五、实验注意事项
1、低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。
2、注意传感器引线的接法：红线接1号端子；黑线接2号端子；蓝线接3号端子；绿线接4号端子；黄线接5、6号端子。
六、实验步骤
1、将差动变压器按图12－1，安装在振动源模块的升降台上。
图12-1　差动变压器振动测量安装图
2、按图12－2接线，并将差动传感器的红线接1号端子；黑线接2号端子；蓝线接3号端子；绿线接4号端子；黄线接5号端子。
图12—2 差动传感器振动测量实验接线图
3、调整好实验的相关部分，调整如下：（1）检查接线无误后，合上主控台电源开关，用示波器观察LV峰－峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vop-p=2V
（2）利用示波器观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。（3）仔细调节RW1和RW2使示波器（相敏检小波器）显示的波形幅值更小，基本为零点。（4）用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。（5）松手，整流波形消失变为一条接近零点线。（否则再调节RW1和RW2）激振源接上低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。用示波器观察放大器Vo相敏检波器的Vo及低通滤波器的Vo波形。
4、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验十相同）用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰－峰电压值，记下实验数据，填入下表：
f(Hz)
Vo(V)p-p
5、根据实验结果作出梁的振幅――频率(f－Vp－p)特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结果相比较。
6、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰峰值Vp-p曲线（定性）。
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告十二》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题
利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？
答：过高的激振频率会影响灵敏度、线性度，且存在交流零位信号，所以差动变压器不适宜高频动态测量。
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光纤传感器的应用研究
摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理量、光纤传感器的基本类型及其相关应用。
序言
光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能， 径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还 能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。
2.1光纤传感器的结构原理
以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。
可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。
光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即
A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率；
φ——光相位；t——光的传播时间。
可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。
2.2光纤传感器的分类
光纤传感器的分类有多种形式，可以根据光纤在传感器中的作用进行分类，也可以根据光受被测对象的调制形式进行分类。
2.2.1根据光纤在传感器中的作用分类
光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。
1）功能型（全光纤型）光纤传感器
利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。
(
信号处理
光受信器
光发送器1
光纤敏感元件
)
2）非功能型（或称传光型）光纤传感器
光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
3）拾光型光纤传感器
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
2.2.2根据光受被测对象的调制形式分类
（1）强度调制型光纤传感器
是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。
优点：结构简单、容易实现，成本低。
缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。
（2）偏振调制光纤传感器
是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。
（3）频率调制光纤传感器
是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。
（4）相位调制传感器
其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。
3 光纤传感器敏感的物理量
光纤传感器可分为干涉型和非干涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量，具体内容如表1所示：
表1 光纤传感器的分类和测量的物理量
传感器 光学现象 被测量 光纤 分类
干涉型 相位调制光线传感器 干涉（磁致伸缩） 电流、磁场 SM、PM 1
干涉（电致伸缩） 电场、电压 SM、PM 1
Sagnac效应 角速度 SM、PM 1
光弹效应 振动、压力、加速度、位移 SM、PM 1
干涉 温度 SM、PM 1
非干涉型 强度调制光纤温度传感器 遮光板遮断光路 温度、振动、压力、加速度、位移 MM 2
半导体透射率的变化 温度 MM 2
荧光辐射、黑体辐射 温度 MM 2
光纤微弯损耗 振动、压力、加速度、位移 SM 2
振动膜或液晶的反射 振动、压力、位移 MM 2
气体分子吸收 气体浓度 MM 2
光纤漏泄膜 液位 MM 2
偏振调制光纤温度传感器 法拉第效应 电流、磁场 SM 2、1
泡克尔斯效应 电场、电压 MM 2
双折射变化 温度 SM 2
光弹效应 振动、压力、加速度、位移 MM 2
频率调制光纤温度传感器 多普勒效应 速度、流速、振动、加速度 MM 3
受激喇曼散射 气体浓度 MM 2
光致发光s 温度 MM 2
注：SM单模；MM多模；PM偏振保持； 1、2、3功能型、非功能型、拾光型
物理型光纤传感器原理：光纤对环境变化十分敏感，物性型光纤传感器是运用了这一特性，把输入的物理量转变成调制光信号。光纤的光调制效应是其基本工作原理，例如压力、温度、磁场、电场等发生改变时，其传光特性（如光照强度与相位会发生变化），以上均是光纤所受外界环境因素。根据这些因素，若能测量出通过光纤的光照强度与光相位变化，即可知晓需测得的变化物理量。
激光器的点光源光束扩散为平行波，分光器把光束分成两路，分别为基准光路、测量光路。当外界参数如压力、温度、振动等引起光纤长度与相位的光相位变化时，从而产生了数量不同的干涉条纹，对其模向移动进行统计，则可以测量到温度、压力等参数。
结构型光纤传感器原理：结构型光纤传感器是光检测功能的光敏元件和光纤传输回路以及测量电路组成的测量系统。其光纤作为光的传播媒介，故又称为传光型（非功能）光纤传感器，如图3所示。
图3 结构型光纤传感器工作原理示意图
图4 拾光型光纤传感器工作原理示意图
拾光型光纤传感器原理：拾光型光纤传感器把光纤作为探头，目的是接收被测对象所辐射的光以及被其所散射或反射的光。辐射式光纤温度传感器、激光多普勒速度计等均是具有代表性的例子。如图4所示。
4 光纤传感器的基本类型
最近几十年光纤传感器领域得到迅速发展，这一新型传感器不仅有抗电磁干扰、绝缘性好、高灵敏度、低重量、还能在一系列如恶劣环境等条件下工作的优点，因此具有非常广泛的应用前景。现已有测量电流、压力、温度、位移、加速度等多种物理量的光纤传感器。以下从光纤传感器的类别出发， 分别介绍光强、相位和偏振态调制型等几类光纤传感器的基本特点及其应用原理[4]。
4.1 光强调制型
这是一种运用变化被测量量引起光纤内光强变化传感器。导致光纤中光强发生变化的因素为：1）改变光纤的微弯状态，2）改变光纤对光波的吸收特性，3）改变光纤包层的折射率。接下来则分别讨论运用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的原理。
改变光纤的微弯状态
运用微弯效的光纤位移传感器的原理如图5。运用多模光纤在受到弯曲时，其中芯模能量中的一部分将转化成包层模式能量，通过测包层模式能量的改变来测量位移。如光纤报警器正是运用这一原理制成，其基本原理是光纤弯曲排布在地毯内，若有人站在地毯上，则会引起地毯内光纤形变，从而引起光纤内光强变化，系统识别光强变化后，发出报警信号。
图5 光纤移位传感器原理图
改变光纤对光波的吸收特性
若想让光纤输出功率降低，则需要使X射线和γ射线的光纤材料吸收损耗增加。运用这一原理可制作光纤辐射传感器，该类传感器可检测核电站等有辐射的设备大范围环境监测。此外光纤紫外光传感器的运用原理和上述原理类似。紫外光照射光纤从而激发出荧光，利用荧光强弱来探测紫外光的光强。特殊的光纤材料是制成这一类传感器的关键。
改变光纤包层的折射率
全内反射光纤传感器原理如图6所示。其光纤端面角度与临界角恰好相等。输入纤芯的光会从端面发生全反射，经反射镜沿原路输出。当被测参量产生变化时，光纤端面包层的折射率产生改变，改变全反射的条件，从而输出的光强降低。运用此原理可以制作光纤折射率计、光纤液体浓度传感器等等。
图6 全内反射光纤传感器原理图
图7 Michelson光纤干涉仪原理图
4.2 相位调制型
相位调制型光纤传感器是利用光纤本身作为敏感元件，通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。简单地说，将被测量转为光的波长或光程差的变化，从而使相位发生变化的方法称为相位调制。Michelson光纤干涉仪原理如图7所示。该类传感器利用一个光纤定向耦合器构成的双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。需测量的参量改变将会直接导致干涉仪中传感臂光纤的长度L(对应于光纤的弹性变形)与折射率改变，进而导致光纤中光波的相位发生变化。假设将压电材料或磁致伸缩材料固定于传感臂上，即可运用它们对光纤引起的压力变化来测量弱电场或者弱磁场。假设将在传感臂镀上一层金属薄膜，即可运用电流的热效应来检测电流变化。
4.3 偏振态调制型
偏振态调制型传感器是一种利用检测被测参量引起光纤内光波偏振态变化量的传感器，检测大电流的光纤传感器是该类传感器的典型代表。光纤材料中的法拉第效应是制成这类传感器基本的原理。图8是其基本原理图。当光纤处在磁场中时，由于磁场的作用，光纤中光波偏振面发生旋转。满足（L：光纤长度，H：磁场强度，K：光纤材料系数）。一般只要测出L，R即可求出电流（，，R：光纤与载流导线间垂直距离）。虽然这从测量电流的方法具有高灵敏、大范围测量、电绝缘等特性，但是现实中存在着外界环境因素干扰等缺陷，从而导致测量误差的发生。
图8 偏振态调制型原理图
5 光纤传感器的相关应用研究
随着光纤传感器相关技术的不断推进，各类传感器发展日益成熟，光纤传感器在各个领域中都有着广泛的用途。医学领域、石油领域均已广泛运用了此类技术，对其相关应用研究具有代表性。在医学中的应用医用光纤传感器目前主要是传光型的，以其小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高及与生物体亲合性好等优点备受重视。在石油领域的光纤传感石油测井技术中，以其抗腐蚀、高温、高压、地磁地电干扰以及灵敏度高的优点备受关注。接下来将详细介绍这两大领域的光纤传感器研究。
5.1 医学领域中光纤传感器的应用
5.1.1 压力测量
当前临床医学中应用的压力传感器基本是用来监测人体血管内的血压、颅内压、膀胱、尿道压力与心内压等。例如测量血压的压力传感器如图9所示，其中测量压力大小的部分是探针导管末端侧壁上的一层防水薄膜，悬臂上带有的微型反射镜与薄膜相连，中心光纤束正对反射镜，作用是传递入射光到反射镜，同时也把反射光传递出来。当压力作用在薄膜上时，薄膜将发生形变并带动悬臂改变反射镜角度，由光纤传出的光束照射到反光镜上，然后又反射到光纤的端点。因为反射光的方向随反射镜角度的变化而变化，由此光纤所接收的反射光强也会发生改变。改变光纤传到另一端的光电探测器进而变成电信号，所以通过电压的变化即可知晓探针处的血压参数。
图9 光纤体压计探针
5.1.2 血流速度的测量
光纤速度多普勒型传感器在临床上主要用于测量皮下组织血流速度，如图10所示。该装置测量系统结构简单，利用了光纤的端面反射现象。频率为的激光射入透镜，光纤植入到人体的表皮组织。如血管壁等等，所反射的光不会发生频移；但是相对于皮层毛细血管里平均流速为的红细胞，反射光将会产生频移（频率变化为）；产生频移的反射光强和红细胞的浓度满足正比关系。光纤收集发射光后，会先在光检器上进行混频，之后由人信号处理仪进行数据分析，从而分析得到人体红细胞平均流动速度与浓度[5]。
图10 测量血流速度的多普勒速度传感器 图11 测定pH值的光纤光谱仪
5.1.3 pH值的测定
测定血液pH值与活体组织相关的光纤光谱传感器示意图如图11所示。利用透射与发射光的强度随波长的分布光谱来进行测量是其工作原理。此类传感器将两根光纤插入可以透过离子的纤维素膜盒中，并且有相关试剂装入膜盒内，若把针头插入血管或者人体组织后，体液会渗入到试剂之中，由于试剂能吸收某种波长的光，因此利用光谱分析仪分析这类变化，即可得出组织与血液的pH值。
5.1.4 图像传输
传输型光纤传感器应用中在医疗上的图像传输具有一个特点，仅将多组光纤组成光纤束，图像空间量子化的传感器便可制成。通过这一原理的应用，已产生的各种内窥镜增加了检查人体的各个部位的可能性。这些内窥镜使用的光导纤维不仅柔软、自由度大、直径小，而且传输图像失真小，大大降低了病人的痛苦。光纤内窥镜在诊断、治疗等医疗领域不断发展，如光纤血管镜已逐渐用于人类的心导管检查中；在进行激光血管造影成形术时，血管镜可以给医生提供很多有价值的参数，引导激光辐射的方向，选择激光的强度及持续时间，并能最快时间上掌握造影成形术后的治疗效果[6]。
5.2 石油测井中光纤传感器的应用
5.2.1 光纤传感器测定持气率
持气率的检测是使用对液体光学指数感应灵敏的传感器来进行的，其光学系统如图12所示。
图12 光学系统示意图
一只发光二极管发出的光射入到光纤内，然后向上传输于蓝宝石探头的尖端处。液体光学指数存在差异，所以部分光会被反射到光电二极管内。光电二极管将这些光处理成电信号。若检测到气体物质时，反射光量较高，但检测到液体物质时，信号的幅值很低，因此气、液信号大小之间差异很大。于是设定了某个阈值，将气、液进行区分() [7]。
5.2.2 非本征F-P腔型光纤传感器（Optical Fiber Fabry-Perot Sensor）压力与温度的测量
F-P光纤传感器的基本原理是将特定物理量（如压力P）的变化量(如ΔP)，通过F-P光纤传感器转换成光通量的变化ΔI，利用光电转换技术将光的变化量转变成计算机可识别的数字信号，并给予精密标定，从而实现物理量的监测。
非本征光纤F-P腔传感器主要是基于光的多光束干涉原理，利用温度、压力变化与光纤F-P腔之间的对应关系从而测得压力与温度。此传感器工作原理如图13所示。
图13 非本征F-P腔型光纤传感器系统原理图
图中的SLED是专为光纤传感器等特殊相关领域设计的超宽带光源。SLED相对于一般的宽带光源具有输出功率高、覆盖光谱范围宽等特点。相关电路控制SLED的输出，从而确保输出功率和谱线的稳定。其具有简便和智能的操作与远程控制等特性[8]。
5.2.3 利用光纤传感器和纳米技术测定油井的含水率
依据光纤的弯曲损耗原理可以测定油井的含水率。由于油、水和天然气的折射率存在差异，该混合物的折射率随油、水、气之间比率不同而不同。电容法这一传统方法能区分水和烃(如天然气)，由于油与气的电容效应相似，所以电容法不能区分油和气。而利用光线传感技术则可以区分，光纤的输出光强是折射率相关函数，伴随纤芯直径折射率、弯曲半径和纳米涂层的折射率的改变而改变。所以，依据输出的光强，能测需测介质的折射率，从而得出该介质中油与水的比例。
该类光纤传感器系统的原理如图14所示。半导体激光器产生的光源通过聚焦纤维透镜射入光纤。将光束通过耦合器分离后被补偿器捕捉，该补偿器的微处理器可控制激光器的驱动电流，估算温度变化的影响和驱动电流变化量。测出的油水混合物的含水率范围为0%~100%，误差约为 1%。
图14 光纤传感器系统的基本原理
6结论
本文先从光通信的原理入手，结合光通信的基本原理详细的介绍了几种不同的光纤传感器。本文设计的光纤温度传感计是透射型半导体光纤温度传感器，当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,λg称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，因此，对于波长大于λg的光，能透过半导体，而波长小于λg的光将被半导体吸收。半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度上升而增大。若采用发射光谱与半导体的λg(t)相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小。从而实现光纤传感器对温度的检测。
传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感 器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务，在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的魅力。因此，光纤传感技术应用的研究具有很好的前景。
参考文献
[1] 姚启均，光学教程（第四版），高等教育出版社，2008。
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[3] 明海，光电子技术，中国科学技术大学出版社，1997。
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[5] Yao Jianquan，Di Zhigang，Jia Chunrong，et al，Photonic crystal fiber SERS sensors，Infrared and laser engineering，2011，40(1)，96-107。
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[8] 曹存根，陆汝钤，新型的专家系统开发工具，计算机学报，1991，12(2)，7-9。
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案例十 传感器的应用
利用传感器进行位移的测量
【摘要】：位移传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。主要介绍磁致伸缩位移传感；激光位移传感器；电阻应变片式位移传感器的测量位移的应用。磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理，通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的；激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体，当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移；电阻应变式位移传感器测量位移，当被测对象作用产生位移时，应变片的阻值随之产生变化。然后通过测量电路将应变片电阻值变化转化成电压或电流等易测量输出，根据测得的电压或电流值就可以得出应变片电阻值的变化量，再根据应变片阻值的变化量与悬梁产生的位移之间的对应关系，即可得出悬臂梁位移的大小。
【关键词】：传感器；位移传感器；磁致伸缩位移传感；激光位移传感器；电阻应变片式位移传感器
利用传感器进行位移的测量
1． 传感器的概述
1.1 传感器的定义
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
最广义地来说，传感器是一种能把物理量、化学量或生物量等信息转变成便于利用的电信号的器件
1.2 传感器的作用
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 　　
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 　　
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 　　
1.3传感器的功能及特性
传感器的特性分为静态特性和动态特性
1、传感器的静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
2、传感器的动态特性
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
2．利用传感器进行位移的测量
传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量，在这种转换过程中有许多物理量(例如压力、流量、加速度等)常常需要先变换为位移，然后再将位移变换成电量。因此位移传感器是一类重要的基本传感器。
测量位移的传感器有很多，如电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，数字式位移传感器，磁致伸缩位移传感器，激光位移传感器等。我们在这里主要介绍磁致伸缩位移传感器，激光位移传感器等一些位移传感器。
2．1 磁致伸缩位移传感器
1-波导 2-磁铁 3-磁场相互作用引起波导扭曲 4-磁铁磁场参照系 5-由发射脉冲沿整个波导产生的磁场 6-电子机壳 7-传感器元件头部8-传感器元件保护套
图1 磁致伸缩位移传感器工作原理图
磁致伸缩位移传感器——通过非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。
2．1．1 磁致伸缩位移（液位）传感器工作原理
磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。
由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标。
2．1．2 磁致伸缩位移（液位）传感器应用位置计算
位置的计算是非常简单,将所测量的时差乘以一个传感器传送速度的系数。或者用除以一个传送速度倒置常数。传送速度的倒置常数或称倾斜度,惯例倾斜度印在传感器的标签上。
例如:时差 130. 500μs,传感器的倾斜度 354. 330 ×μs/ mm时差(μs)
位置(mm) =时差(μs)/倾斜度(μs/ mm) - 零点的位置(mm)
= 130.500/354.330 ×- 114.300
　　 注:114.300mm 为零区和死区之和。
由于磁铁距离传感器的电子零件越远,音波所需行走时间越长 ,所以传感器的更新时间与距离成正比。当然 ,循环电子所需之更新时间也较长。传感器最长更新时间可用下式作精略计算。
更新时间 = (位置 +零点位置) ×倾斜度，
等价频率响应 =1/更新时间
举例:一根 508mm 长的传感器,其更新时间及等价频率响应分别为：
更新时间 = (508 + 114.300) ×354. 330 ×=220.5 ×μs
频率响应 =1/220.5 ×=4535Hz
传感器的更新频率对电液伺服控制机构的应用非常重要。对一般伺服控制而言 500Hz以上便已足够。
磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器。它采用非接触的测量方式，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下(如容易受油溃、尘埃或其他的污染场合)，也能正常工作。此外，它还能承受高温、高压和强振动，现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中。它的行程可达3米或更长，标称精度为0.05% F S，行程1米以上传感器精度可达0.02% F S,重复性可达0.002% F S，因此它在石油化工，航空航天、电力、水利等行业得到广泛的应用。
2.2 激光位移传感器
激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。
按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量，下面分别介绍激光位移传感器原理的两种测量方式。
2.2.1 激光位移传感器原理
1. 激光三角测量法原理
图2 激光三角法工作原理示意图
激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD(Charge-coupled Device—电荷耦合元件)线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。
同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。
2．激光回波分析法
激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。
2.2.2 激光位移传感器测量位移应用
激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。
激光位移传感器利用三角原理测量位移应用
图3为三角测量原理图。激光器发出的光与被测面的法线方向成一定角度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射光。此时应满足的Scheimpflug条件为
tg()= βtg
式中， 为横向放大率。此时一定景深范围内的被测点都能正焦成像在探测器上，从而保证了精度。 图3 为三角测量原理图
若光点的像在探测器敏感面上移动，利用相似三角形的比例关系，则物体表面沿法线方向的移动距离为：
式中，a为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；为激光束光轴与被测面法线之间的夹角； 为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角；为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。
当为时，此时为直射式。光点移动时，被测面沿法线方向移动的距离为：
当为时，此时为斜入射直接收式。光点移动时，被测面沿法线方向移动的距离为：
式中各个参数的含义与图2所示相同，它属于斜入射式传感器的一个特例。
三角位移传感器属于非接触测量，因此对被测材料无特殊要求，既可测金属材料，也可测非金属及柔软材料，并且还可测量易污染、易磨损的材料。在恶劣环境下也可进行测量。大量研究表明，光学三角法更适于加工表面粗糙度的非接触测量。随着工业生产的发展，激光位移传感器将向着高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展。它将在机器视觉、自动加工、工业在线检测、产品质量控制、实物仿形、生物医学等领域具有重要的意义和广阔的应用前景。
2.3 电阻应变式位移传感器
2.3.1电阻应变式位移传感器原理
电阻应变测量范围较小，由于应变量通常在5000u以下，电阻应变片把机械应变信号转换为dR/R后，所引起的电阻变化dR/R一般都很微小，即难以精确测量，又不便直接处理，因此，必须采用电桥测量电路，把应变片电阻的变化转换为电压或电流的变化。
根据输出测得电压计算位移变化的应用
电阻应变片位移传感器一般采用电桥测量方法如图4
应变片测量电桥在工作前应使用电桥平衡，以使在工作时电桥输出电压只与应变片感受应变所引起的电阻变化有关。设初始条件为
设只有一个应变片接入电桥，并R1为接入的应变片，测量时的变化为,则输出电压为
通常情况下，,所以
由电阻—应变效应，则上式可写成
式中K为电阻应变片的灵敏系数；
—金属丝的轴向应变位移 图4 电桥测量电路
2.3.2电阻应变式位移传感器应用
电阻应变式位移传感器测量悬臂梁的位移结构如图5所示，图中敏感元件即为应变片粘贴在弹性元件也就是悬臂梁上，当悬臂梁自由端受被测对象作用产生位移时，应变片的阻值随之产生变化。然后通过测量电路将应变片电阻值变化转化成电压或电流等易测量输出，根据测得的电压或电流值就可以得出应变片电阻值的变化量，再根据应变片阻值的变化量与悬梁产生的位移之间的对应关系，即可得出悬臂梁位移的大小。同理，当悬臂梁自由端受到一定 图5电阻应变片式位移传感器
的扭矩，产生变形即角位移，也可以通 测量悬臂梁的位移原理
过贴在悬臂梁上的应变片阻值的变化， 1—应变片 2—悬臂梁
而得出角位移的大小。电阻式应变位移传感器的位移测量范围较小，一般在0.1um~~0.1mm之间，其测量精度小于2%，线性度在0.1%~~0.5%之间。
电阻应变式位移传感器通常广泛应用于称重和测力领域。
3．传感器的未来发展趋势
随着科学技术的发展，传感器技术发展的趋势将是开发新材料与传感器智能化发展相结合。
1.新材料开发、应用
半导体材料在敏感技术中占有较大的技术优势，半导体传感器不仅灵敏度高、响应速度快、体积小、质量轻，且便于实际集成化，在今后的一个时期，扔占有主要地位。
以一定化学成分组成、经过成型及烧结的功能陶瓷材料，其最大的特点是耐热性，在敏感技术的发展中具有很大的潜力。
例如：按在汽车上的作用可分为控制发动机、控制底盘以及给驾驶员提供各种信息用传感器，构成这些传感器的材料有精细陶瓷、半导体材料、光导纤维及高分子薄膜等。
2.新工艺、新技术的应用
将半导体的精密细微加工技术应用在传感器的制造中，可极大提高传感器的性能指标，并为传感器的集成化、超小型化提供了技术支撑。借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、静电封接技术、全固态封接技术等，也可同样取得类似的功效。例如用传统的硅半导体技术制作的微电子器件由于不能在很高的温度下工作，已不能胜任。为了解决在高温环境下温度测量问题，必须研制一种新的材料来取代传统的半导体材料如第三代宽能带半导体材料Sic。
3.利用新的效应开发新型传感器
随着人们认识自然地深化，会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应等。利用这些新的效应可开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器性能和扩展传感器的应用范围提供了新的可能。如汽车运用检测气体浓度的传感器。
4.传感器的集成化
利用集成加工技术，将敏感元件、测量电路、放大电路、补偿电路、运算电路等制作在同一芯片上，从而使传感器具有了体积小、质量轻、生产自动化程度高、执照成本低、稳定性和可靠性高、电路设计简单、安装调试时间短等优点。如在医疗用品、卫生用品、食品、保健品等产品进行辐照消毒灭菌的方面的传感器。
5.传感器的多维化
一般的传感器只限于对某一点物理量的测量，而利用电子扫描方法，把多个传感器单元做在一起，就可以研究一维、二维以至三维空间的擦亮问题，甚至向包含时间系的四维空间发展。X射线的CT就是多维传感器的实例。如在交通公路测速方面的应用。
6.传感器的多功能化
一般的一个传感器只能测量一种参数，多功能化则意味着一个传感器具有多种参数的检测功能，如压力和温度，或温度和湿度等。如新型的SAW传感器可同时测量压力与温度。
7.传感器的智能化
智能化传感器将数据的采集、存储、处理等一体化，显然，它自身必须带有微型计算机，从而还具备自诊断、远距离通信、自动调整零点和量程等功能。如现在人们常用的打印机。
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光纤传感器在石油行业中的应用
光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果，不少光纤传感系统已实用化，成为替代传统传感器的商品。本文主要介绍了光纤传感器在石油行业中的应用案例，以飨读者。
一、前言
光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果，不少光纤传感系统已实用化，成为替代传统传感器的商品。
在油田的开发过程中，人们需要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的详细资料，这就要用到石油测井，其可靠性和准确性是至关重要的，而传统的电子基传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤传感器可以克服这些困难，其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压(几十兆帕以上)以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量井筒和井场环境参数，同时，光纤传感器具有分布式测量能力，可以测量被测量的空间分布，给出剖面信息。而且，光纤传感器横截面积小，外形短，在井筒中占据空间极小。
光纤传感器在地球物理测井领域取得了长足的进步，全世界各大石油生产公司、测井服务公司以及各种光纤传感器研发机构和企业都参加了研究、开发过程。为了开拓光纤传感器的应用领域，本文综述了光纤传感器在地球物理测井领域的研究与进展，希望其研究能够对进一步提高石油开发的水平作出贡献。
二、光纤传感器在测井上的研究进展
1、储层参数监测
(1)压力监测
由于开发方案的需要，对油藏压力的管理需要特别谨慎，这样做的目的是减少因在低于泡点压力的状态下开采所造成的原油损失，减少在注气过程中因油藏超压将原油挤入含水层所造成的原油损失。传统的井下压力监测采用的传感器主要有应变压力计和石英晶体压力计，应变式压力计受温度影响和滞后影响，而石英压力计会受到温度和压力急剧变化的影响。在压力监测时，这些传感器还涉及安装困难、长期稳定性差等问题。井下光纤传感器没有井下电子线路、易于安装、体积小、抗干扰能力强等优点，而这些正是井下监测所必需的。
美国CiDRA公司的在光纤压力监测研究方面处于前沿，他们的科研人员发现了布喇格光纤光栅传感器对压力的线性响应。已开发的传感器能够工作到175oC，200oC和稍高温度的产品正在开发，250oC是研发的下一个目标。不同温度和压力下的压力测量误差，在测试范围(0MPa~34.5MPa)内，均小于±6.89kPa，相当于电子测量系统的最好的水平。目前，CIDRA公司的光纤压力传感器的指标为：测程0~103MPa，过压极限129MPa，准确度±41.3kPa，分辨率2.06kPa，长期稳定性±34.5kPa/yr(连续保持150oC)，工作温度范围25oC~175oC。1999年该公司在加利福尼亚的Baker油田进行了压力监测系统的试验，结果表明该系统具有非常高的精度，目前已经交付商业销售。2001年该公司的压力传感器在英国BP公司的几口井下安装，监测应力变化，结果表明其具有足够的可靠性。
美国斯伦贝谢油田服务公司Doll研究中心的TsutomuYamate等人对用布喇格光纤光栅传感器实行井下监测进行了长期的研究，他们研制成一种对温度不敏感的侧孔布喇格光纤光栅传感器，最高工作温度为300oC，最高测量压力82MPa，在最高测量压力下，对温度的灵敏度极小，可以适用于井下的压力监测。
(2)温度监测
分布式光纤温度传感器具有通过沿整个完井长度连续性采集温度资料来提供一条监测生产和油层的新途径的潜力。因为井的温度剖面的变化可以与其它地面采集的资料(流量、含水、井口压力等)以及裸眼测井曲线对比，从而为操作者提供有关出现在井下的变化的定性和定量信息。传统的测温工具只能在任何给定时间内测量某个点的温度，要测试全范围的温度，点式传感器只能在井中来回移动才能实现，不可避免地对井内环境平衡造成影响。光纤分布式温度传感器的优势在于光纤无须在检测区域内来回移动，能保证井内的温度平衡状态不受影响。而且由于光纤被置于毛细钢管内，因此凡毛细钢管能通达的地方都可进行光纤分布式温度传感器测试。
最广泛地应用于井下监测应用的光纤传感器之一就是喇曼反向散射分布式温度探测器，这种方法已经在测量井筒温度剖面(特别是在蒸汽驱井)中，得到了广泛的应用。分布式温度传感器要综合考虑测量的点数和连接器衰减，遇到的问题和解决方法为：
a.光纤以及连接器对信号的衰减问题，解决的方法为尽量减少连接器的数目、采用布喇格光纤光栅传感器以及改进连接器的性能；
b.井下安装时容易损坏，解决的方法为配备熟练工人、光纤传感器需要外部保护层、减小应力(包括射孔和温度引起的应力)。对于光纤分布式温度传感器系统，英国Sensa公司一直处于技术领先地位，有一系列产品问世，而且与各大石油公司合作，积极探索光纤分布式温度传感器在石油井下的应用。CiDRA公司也一直在研究光纤温度传感器，目前该公司的温度传感器技术指标为：测量范围0℃~175℃，准确度±1℃，分辨率0.1℃，长期稳定性±1℃/yr(150℃下连续使用)。
目前的光纤温度、压力传感器的最主要的缺点之一就是温度压力交叉敏感特性，如何消除或者利用这种交叉敏感特性是研究的热点。
(3)多相流监测
为了做好油藏监控和油田管理，最关键的环节是获得生产井和注水井稳定可信的总流量剖面和各相流体的持率。然而，大多数油井分层开采，每层含水量不同，而且有时流速较大，给利用常规生产测井设备测量和分析油井的生产状况带来了巨大的困难。液体在油管中的摩阻和从油藏中向井筒内的喷射使得压差密度仪器无法准确测量，电子探头更是无法探测到液体中的小油气泡。
光纤测量多相流有两种方法，第一种是美国斯伦贝谢公司的持气率光纤传感仪，该仪器能直接测量多相流中持气率。其四个光纤探头均匀地分布在井筒的横剖面中，其空间取向方位可用一个集成化的相对方位传感器准确测量，在气液混合物中，通过探头反射的光信号来确定持气率和泡沫数量(这二者与气体流量相关联)。此外，利用每个探头的测量值来建立一种井中气体流动的图像，这些图像资料特别适用于斜井和水平井，可以更好地了解多相流流型以及解释在倾斜条件下这些流型固有的相分离。最近，这种仪器已在世界各地成功地进行了测井实验。它提供的资料能直接测定和量化多相混合物中气体和液体，能准确诊断井眼问题，并有助于生产调整。仪器通过了三口井的现场测试。
第二种是通过测量声速来确定两相混合流的相组分，因为混合流体的声速与各单相流体的声速和密度具有相关性，而这个相关性普遍存在于两相气/液和液/液混合流体系统中，同时也适用于多相混合流系统。根据混合流体的声速确定各相流体的体积分数，就是测量流过流量计的各单相体积分数(即持率测量)。某一流体相持率是否等于该相流动体积分数，取决于该相相对于其它相是否存在严重的滑脱现象。对于不存在严重滑脱的油水两相混合流系统，可以用均匀流动模型进行分析;对于存在严重滑脱现象的流动状态，则必须应用更完善的滑脱模型来解释流量计测量的数据，才能准确地确定各相的流量。经流动循环实验表明：对于油水混合流体，流量计的长波长声速测量可以确定各相体积分数(即持率)，而不受流动非均质性(如层状流动)的影响。
CiDRA公司挖掘了光纤传感器内在的优势，开发了井下光相多相流传感器。目前的样品只局限在测量准均匀流体：如油、水两相或油、水、气三相(气相体积份数小于20%)。为了考察这种新型的光纤多相流传感器在生产井中测量油/水/气三相的性能，CiDRA最近在一口测试井进行了实验。在测试井中混合了油、水和气体，混合物包括粘度为32API的油、7%矿化度的水和矿厂天然气(甲烷)，测试温度100oF，压力《2.75MPa。在0%~100%含水率范围内，仪器测量误差小于±5%，精度满足要求。该流量计能够确定原油和盐水混合物中的持水率，在持水率全量程中其误差为±5%以内，满足生产要求。而且除了能够测量持水率之外，该仪器还测试了三相中气体的体积含量，只是测试中油水的比例已知。结果表明，该仪器能够求出以泡沫流流出型出现的液体中的气体体积百分数。
2、声波测量
与过去相比，勘探开发公司如今面临更大的风险和更复杂的钻井环境，因此获得准确的地层构造图和油藏机理具有重要意义。目前使用的地震测量方法，如拖曳等浮电缆检波器组、临时海底布放地震检波器和井下电缆布放地震检波器等，能提供目的产油区域的测量，但这些方法具有相对高的作业费用，不能下入井内或受环境条件的限制等，而且提供的图像不全面、不连续，分辨率不是很高，因此难于实现连续实时油藏动态监测。
基于光纤的井下地震检波器系统能够解决这些问题，它能提供整个油井寿命期间永久高分辨率四维油藏图像，极大方便了油藏管理。这种井下地震加速度检波器能接收地震波，并将其处理成地层和流体前缘图像。
永久井下光纤3分量地震测量具有高的灵敏度和方向性，能产生高精度空间图像，不仅能提供近井眼图像，而且能提供井眼周围地层图像，在某些情况下测量范围能达数千英尺。它在油井的整个寿命期间运行，能经受恶劣的环境条件(温度达175℃，压力达100MPa)，且没有可移动部件和井下电子器件，被封装在直径2.5cm的保护外壳中，能经受强的冲击和振动，可安装到复杂的完井管柱及小的空间内。此外，该系统还具有动态范围大和信号频带宽的特点，其信号频带宽度为3Hz～800Hz，能记录从极低到极高频率的等效响应。
3、激光光纤核测井技术
激光技术和光纤技术可以用于研制井下传感器，用于在充有原油和泥浆等非透明流体的井中进行测井。对于激光光纤核传感器的研究在国外比较盛行，美国、德国、俄罗斯和比利时等国均有大量的有关研究论文。
激光光纤核传感器是在光纤通信和光纤传感器的基础上产生的，它利用了光致损耗和光致发光等物理效应，比常规核探测器具有更多的优越性，是典型的学科交叉。光纤核测井技术，实际上就是在特定的环境下的核探测技术，其典型的优点为：
(1)可以针对不同的核探测的能级范围，研制在该范围的敏感探头。
(2)因为应用了光致发光效应，可使探头位于千米的井下，而光电倍增管由传输光缆相连置于井上，远离了恶劣的井下环境(高温高压)，从而延长其的使用寿命。
(3)光纤具有高速率、大容量传输能力，还能搭载其他井下仪器信号。
然而，激光光纤核探测器也有缺点，主要表现在耐高温和承受高压的保护涂层、传输光缆的机械强度以及耐辐射的传输光缆低衰减损耗。
三、结论与展望
从本文的分析可以看出，光纤传感器以其独特的优势，可以广泛应用于石油天然气井下的储层参数监测(包括温度、压力和多相流)、声波检测和激光光纤核测井之中，极大地丰富了石油和天然气公司对储层的了解，便于优化油气田开采和维护。值得一提的是，该系统能够及时得到注采的注水压力和温度，从而判断压力是否超标，从而预防由于压力超标导致的套管损坏，这是一个全新的领域，国内外关于此方面尚未有报道和介绍。
到目前为止，全世界各大石油生产和服务公司都投入了巨资来研究和开发光纤传感器在储层评价中的应用，还有相当多的光纤传感器研发机构也致力于这一新兴领域的工作。可以设想，下一代光纤传感器在克服自身的缺点和劣势以后，将大面积推广，能更有效地帮助实时了解油气开采动态的水平。各大油田公司能够充分利用这些有利的信息，实现和维持油田的最优化生产，从而使油藏达到最高的采收率。同时，由于因特网的飞速发展，光纤监测的井况参数可以及时传递，这使得石油行业相关的生产和服务公司能够更有效地分析和评价全世界的资产。
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电容式加速度传感器在发动机上的应用
（1）电容式加速度传感器工作原理
电容式加速度传感器的优点是频率响应范围大，量程范围大，仅受弹性系统设计限制。其设计的一个困难是如何获得对温度不敏感的阻尼。由于气体粘度的温度系数比液体要小得多，因此采用空气或其它气体作阻尼是合适的。如图1所示是空气阻尼的电容加速度计。
图2电容式加速度计
1-绝缘体；2-固定电极； 3-振动质量（动电极）；4-弹簧片
电容式加速度传感器的结构形式一般采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。
(2)电容式加速度传感器在发动机上的应用原理及构造
在发动机EOBD失火诊断模块中，需要借助垂直方向的加速度来判断目前车辆所处的路况。如果所处路面的竖直方向加速度超过某一幅值，那么在一定概率下，发动机曲轴的转速波动会和失火时候的情况近似，这时候就需要暂时关掉失火诊断功能，以免发动机故障指示灯误报警。
加速度传感器在发动机失火诊断中的应用当车辆在极度不平的路面行驶时，车辆的振动可能会通过传动系传到发动机曲轴，造成曲轴转速信号的变化，引起误判失火。目前，在国内外中高端车辆中，主要采用ABS的信号来判断坏路面。而在低端车中（未安装ABS），加速度传感器由于具有判断灵敏等优点而被广泛地应用。
图2差动式电容加速度传感器结构原理图
如图2所示为差动式电容加速度传感器结构原理图。它有2个固定极板Y、Z（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块X，此质量块的2个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，而2个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。
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1、引言 黄河小浪底水利枢纽位于黄河中游最后一段峡谷的出口，是承上启下、控制黄河水沙的关键枢纽。黄河小浪底水电厂总装机容量6×300MW，是河南电 网调峰调频和事故备用的主力发电厂。小浪底电厂是国家一流水力发电厂，充分应用了尖端的自动化产品。在现代自动化生产过程中，需要要用各种传感器来监视和 控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，因此优良的传感器是现代化生产的基础。 2、传感器简介 传感器是一种能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，其输入信号（被测量）往往是非电量，输出信号常常为易于处 理的电量，比如电压或电流。 传感器种类很多，分类标准不一样，叫法也不一样，常见的有电阻传感器、电感式传感器、电容式传感器、温度传感器、压电式传感器、霍尔传感器、热电 偶传感器、光电传感器、数字式位置传感器等。在水电厂应用的传感器主要有电流传感器、电压传感器、光电编码器、压力传感器、液位传感器、温度传感器、流量 传感器等，主要用来检测位置、直线位移、压力、温度、流量等。 3、电厂对传感器的要求 现代化大型水电厂一般具有“无人值班，少人值守”的要求，为提高整体效率和设备工作的可靠性，对传感器就有很高的要求：
（1）可靠性高、有很强的抗干扰能力；
（2）满足精度和速度的要求；
（3）使用和维护方便，适合电厂的特殊环境；
（4）成本低。 4、温度的检测 温度传感器是一种将温度高低转变成电阻值大小或其他电信号的装置。常见的有以铂、铜为主的热电阻传感器、以半导体材料为主的热敏电阻传感器和热电 偶传感器等。 PT100铂热电阻在小浪底水电厂得到了广泛的应用，温度传感器不仅用来检测水轮发电机组的上导、推力、下导、水导轴承的温度以及四部导轴承油槽 中的油温，还主要测量发电机定子和转子的温度以及用来冷却它们的空气冷却器中水的温度。
在实际的工作中，由于水轮发电机组的四部导轴承环境恶劣，经常出现铂电阻导线断裂的情况，因此需要对铂电阻的根部导线进行特殊的防护，以防止发电机组在转 动过程中，油槽中的杂质对其进行不断的冲击。此外，盘柜的安装位置与传感器位置有相当的距离，为防止导线引起测量误差需要采用三线制接法。 5、压力的检测 压力传感器是一种将压力信号转变成电信号的传感器。根据工作原理，可分为压电式传感器、压阻式传感器和电容式传感器。它是检测气体、液体、固体等 所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。电容式压力传感器的电容量是由电极面积和2个电极间的距离决定， 因灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点近来得到了迅速发展。在小浪底水电厂中，压力传感器主要用来检测压力气罐和压力油罐的压力以及集水井中用来检 测水位的压力。此时，压力传感器将压力信号转换成4～20mA的电信号，用以计算出相应的压力信号或是水位信号。 无论在空压机控制系统或油压装置控制系统中，或是在电厂检修或渗漏排水控制系统中，都需要安装相互备用的2套压力传感器甚至3套传感器，主要是能 够安全地检测到被测量，防止由于压力气罐和压力油罐的压力大幅降低出现机组事故停机，也防止由于集水井中的水位过高，不能及时排出厂房的渗漏水出现水淹厂 房。 小浪底电厂还配备了一些压力开关，当压力大于或是低于某一设定值时，触点就会动作，将信号发送到相应的控制回路。 在实际的应用中，压力传感器的零点容易发生漂移，因此需要定期进行校验。此外，传感器长时间的使用容易出现疲劳造成测量信号的不准确，需要定期更 换。 6、速度的检测 速度传感器是一种将速度信号转变成电信号的传感器，既可以检测直线速度，也可以检测角速度，常用的有测速发电机和脉冲编码器以及齿盘测速等。 在小浪底水电厂中，采用齿盘来测量发电机的转速。齿盘安装在发电机延伸轴的法兰上，速度信号直接从水轮机的转动轴上获取，是一种理想的速度输入信 号。齿盘速度信号不受发电机残压的限制，也不受非周期杂波的干扰，比PT信号具有更高的可靠性，另外，齿盘测速装置还具有高可靠的零转速（蠕动）检测功 能。小浪底电厂齿盘齿数为56齿，额定转速为107.1RPM，探头脉冲频率为100Hz，产生的脉冲信号直接输入到速度传感器模块。 但齿盘测速也有其缺点，一是增加了硬件的成本和软件的复杂性；二是由于加工精度的局限性，齿盘上齿与齿之间的距离不可能完全相等，或者说齿距不可 能完全均匀。对于高灵敏度的速度传感器，它是通过扫描齿与齿之间的时间来计算速度的，即使机组实际转速没变，齿与齿之间不同的间隔就会反应出速度的变化， 从而产生干扰信号；三是接近开关碰撞容易损坏。 7、流量的检测 流量传感器是一种将流量信号转变成电信号的传感器。常用的主要是电磁流量计和流量开关。 电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞适用 于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，它不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，对于要求低阻力损失的大管径供水 管道最为适合。所测得的体积流量，不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率（只要在某阈值以上）变化明显的影响。 小浪底电厂技术供水系统中在检测上导、推力、下导、水导轴承冷却水管道的流量上应用了大量的电磁流量计，将检测到的流量信号转变成4-20mA的 电信号，以计算出相应的水的流量。但流量计在安装上有一定的要求，此外不能测量电导率很低的液体，如油的流量。 小浪底电厂还配备了一些流量开关，当流量大于或是低于某一设定值时，触点就会动作，并将信号发送到相应的控制回路。 8、 油混水的检测 油混水传感器是一种用于测定油混水或油积水的电容式传感器。用于检测水轮发电机组自动化控制油系统中混入回油箱或漏油箱内水的含量，还可广泛作为油箱中油混水或油积水的检测。 油混水传感器置入被测介质中，当油中混入水后，介质值发生变化，传感器输出相应电信号。传感器送出的信号进行处理后，油中0～100％含水率转化 成相对应4-20mA输出。 油混水传感器安装在小浪底水电厂上导、推力、下导、水导轴承四部导轴承的油槽中用以检测油槽中水的含量，防止出现水淹水导或是油槽中用来冷却油的 水管发生破裂。但在实际的应用中，油混水的精度需要进一部提高，误报警时有发生。 9、发电机摆度和振动的检测 电涡流传感器用来检测水轮发电机组上导、下导、水导、大轴的摆度，它实际上是一种位移传感器，依靠探头线圈产生的高频电磁场在被测表面感应出电涡 流和由此引起的线圈阻抗的变化来反映探头与被测表面的距离。 检测水轮发电机组的上机架、下机架、定子铁芯、定子机座以及顶盖和尾水管振动的传感器是一种速度传感器。常用的速度传感器为具有弹簧-质量系统的 磁电式传感器，它测量是被测物相对于地面的绝对运动。 振动和摆度的测量在小浪底水电厂中得到充分的应用，测量摆度有被测物X方向和Y方向，测量振动有被测物轴向和径向振动。通过采集水轮发电机组摆度 和振动的数据可以检测顶盖和尾水管中的压力脉动、机组转动部分的机械不平衡度以及转子中心与机组中心是否偏移而引起电磁力不平衡等，从而机组在转动过程中 的健康状态通过振动和摆度的测量得到充分的体现。随着科学技术的发展，现在振动、摆度的检测是水电厂状态检修中重要组成部分。通过机组的状态检修大大提高 了机组的使用效率。 10、位移的检测 测量位移的传感器主要有脉冲编码器和磁致位移传感器。 脉冲编码器是一种角位移传感器，能够把机械转角变成电脉冲。在小浪底电厂中，编码器应用于进水口闸门、尾水防淤闸门位移的检测。 小浪底筒阀位移的测量采用了磁致位移传感器。由于筒阀安装环境恶劣、同时要求较高的精度，因此采用磁致位移传感器。磁致位移传感器在工作时，由电 子仓内电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输，同时产生一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致 伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出 被测的位移和液位。 磁致位移传感器的输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，因此不必像其它液位 传感器一样需要定期重标和维护。但磁致位移传感器需要一定的硬件和软件支持。 11、位置的检测 位置传感器用来检测位置，反映某种状态的开关。常见的位置传感器主要有水浮子开关、磁浮子液位计、行程开关等。 水浮子开关是一种结构简单，使用安装方便的液位控制器。在小浪底顶盖排水控制回路中得到了应用。当水位高于浮子的安装位置时，浮子翻转，接点就会 动作，将信号发送到相应的控制回路。但在实际应用中，经常由于浮子的密封度不好进水，导致接点不能正常动作或是动作后不能返回。 小浪底电厂压油罐油位的测量采用磁浮子液位计，它是以浮球为测量元件，通过连杆上的磁刚将液位变化进行传送。液位计配有液位报警器和液位远传装 置。液位报警器可实现液位的上、下极限报警及限位控制。液位远传装置可将液位变化转换成4-20mA电流信号，由于采用不锈刚等防腐材料，应用于腐蚀、有 毒、易燃等场合。 行程开关是一种接触式位置传感器，其结构简单、动作可靠、价格低廉。当某个物体在运动过程中，碰到行程开关时，其内部接点就会动作从而完成控制。 在小浪底水电厂中，发电机风闸位置、水轮机导叶锁锭位置均采用了行程开关。在实际应用中，行程开关由于不断地受到外力的作用，其整体就会发生位移从而不能 正确地反应物体的位置，这点要引起注意。 12、大电流、高电压的检测 电压互感器PT和电流互感器CT主要是将一次系统的高电压和大电流按比例变换成低电压和小电流，供给测量仪表和保护装置使用。执行这些变换任务的 设备，最常见的就是我们通常所说的互感器。进行电压转换的是电压互感器而进行电流转换的互感器为电流互感器。 小浪底电厂中的电压互感器PT，主要是将220KV，35KV，10KV等高电压转换为100V；发电机机端采用变比为15000A/1A的电流 互感器。 值得注意的是严禁将电流互感器二次侧开路以及严禁在电压互感器二次侧短路或接地。 电压互感器和电流互感器都应用于交流回路。此外，还有将直流大电流转换为毫伏级别的分流器。
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电容式传感器
1.基本工作原理
电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质，如图1所示。两个平行板组成的电容器的电容量为
图1平板电容
-电容极板间介质的介电常数，；
-真空介电常数；
-介质材料的相对介电常数；
A -两平行极板覆盖的面积；
d -两平行极板之间的距离；
C –电容量；
当被测参数变化使得式中的A,ε或d发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。因此, 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。改变平行极板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A的传感器则适用于测量厘米数量级的位移，变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度的测量。
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案例十一 压电式传感器应用实例
1.共振型压电式爆燃传感器
共振型压电式爆燃传感器主要由插头、插接器、压电元件等组成。传感器中的压电元件紧密的贴合在振荡片上，振荡片固定在传感器的基座上。
工作原理：振荡片随发动机的振荡而振荡，压电元件随振荡片的振荡而发生变形，进而在其上产生一个电压信号。当发动机爆燃时，气缸的振动频率与传感器振荡片的固有频率相符合，此时振荡片产生共振，压电元件将产生最大的电压信号，如下图所示。
2.压电式雨滴传感器
组成：振动板、压电元件、放大器、壳体及阻尼橡胶构成。
振动板的作用是接收雨滴冲击能量，按自身固有的振动频率进行弯曲振动，并将振动传递给内侧压电元件上，压电元件把从振动板传递来的变形转换成电压信号。
当压电元件上出现机械变形时，在两侧的电极上就会产生电压，如下图所示。
当雨滴滴落在振动板上时，压电元件上就会产生电压，电压大小与加到板上的雨滴的能量成正比，一般是0.5~300mV。放大器将压电元件上产生的电压信号放大后再输入到刮水器放大器中。
3.压电式声传感器
压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应。
当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。
当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。
如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。
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光电式传感器的应用与发展
摘 要：光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
关键词： 光电式传感器；应用；发展
光电传感器的发展趋势
近年来，由于传感器的广泛应用以及在日常生活中所起的越来越重要的作用，人们对传感器提出越来越高的要求。21世纪初期(2010前后)。敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高。并加速新一代传感器的开发和产业化。 纵观几十年传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面：一是提高与改善传感器的技术性能；二是寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。
2.总述
光电式传感器它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉 等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。光电测量时不与被测对象直接接触,光束的质量又近似为零,在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。通过对光电效应和器件原理的研究已发展了多种光电器件（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等），适用于不同的场合。光电式传感器的制造工艺也随薄膜工艺、平面工艺和大规模集成电路技术的发展而达到很高的水平，并使产品的成本大为降低。被称为新一代摄像器件的聚焦平面集成光敏阵列正在取代传统的扫描摄像系统。光电式传感器的最新发展方向是采用有机化学汽相沉积、分子束外延、单分子膜生长等新技术和异质结等新工艺。光电式传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域。在红外探测、辐射测量、光纤通信，自动控制等传统应用领域的研究也有新发展。例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新方法。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。近年来，随着光电科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，光电式传感器技术飞速发展；随着技术的进一步完善，随着人们对现代科技认识的不断深入，光电式传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。
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光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用
摘要：作为20 世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成为诸多领域的前沿研究与应用方向。本文主要介绍了作者及其课题组和相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。
关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测
0 引言
重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向（欧进萍，2005）。
然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展, 高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤光栅传感器的优点主要表现为：耐久性好，适于长期监测；_____无火花，适于特殊监测领域；既可以实现点测量，也可以实现准分布式测量；测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；检出量是波长信息，因此不受接头损失、光沿程损失等因素的影响；对环境干扰不敏感，抗电磁干扰；波长编码，可以方便实现绝对测量；单根光纤单端检测，可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数；信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；光纤光栅尺寸小，测量值空间分辨率高；输出线性范围宽，在量程范围内波长移动与应变有良好的线性关系；频带宽，信噪比高等。正是这些突出优点，光纤光栅传感器受到土木工程领域的广泛关注与青睐。
本文重点介绍了作者及其课题组和产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其重大工程应用。最后，介绍了作者在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。
1 光纤光栅传感器的发展
光纤光栅是一种新型的光子器件，它可以控制光在光纤中的传播行为。光纤光栅的研究与发展归功于1978 年加拿大的Hill（1978）等人在实验室中制作的世界上第一根光纤光栅，以及1989 年美国的Meltz1 资助项目：国家自然科学基金（50308008，50410133）；863计划项目（2002AA3131110）；中国博士后基金等人发明的紫外侧写入技术。随后，1993年Hill与Lemaire分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。这两项技术相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本与容易程度，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究的热潮。自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感研究以来（Morey，1989），世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的10 多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如土木工程、油田、航空航天、复合材料、高压输电线、医学、核电站、消防等领域(Rao, 1999; Tennyson et al, 2000; Ou & Zhou, 2002, 003,2004,2005)。
目前，国内的清华大学、重庆大学、南开大学、武汉理工大学、北京交通大学、香港理工大学、哈尔滨工业大学等单位对光纤光栅传感器的应用研究非常重视，投入了大量的人力和物力，得到了系列研究成果，并已经在一些重点示范工程上得到了应用。
迄今为止，光纤光栅无论在技术成熟度，还是成本上都已经取得了实质的突破，将其应用到量大面广的土木工程已经成为现实。很多光电领域的专家学者对光纤光栅的传感特性以及诸多领域的应用作了很多尝试，取得了较好的成果。但是，目前普遍存在一个问题：光纤光栅传感器的开发者因为缺少应用领越的专门知识，研究开发的“专业”传感器无法胜任实际的工程需要，而应用领域的工程师们缺少光纤光栅传感的专门知识，即使清楚自己的测试需要，仍难以协调与指导传感器的研究开发，从而导致了供给与需求的严重脱节。哈尔滨工业大学及其相关产业化企业针对重大土木工程结构健康监测对耐久性传感器的迫切需求，发挥多学科交叉的优势，突破传统胶粘剂封装光纤光栅应变传感器和布设工艺耐久性的不足，通过对光纤光栅应变传感器的应变传感物理机理、应变传感的界面传递机理、封装光纤光栅传感器的蠕变特性等方面进行了较系统研究，提出了基于误差的应变传感器设计的优化方法，并开发出系列高性能的光纤光栅直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品以及相应的结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统，并应用于诸多重大桥梁工程。下面就其主要研究与开发成果作一介绍。
2 光纤光栅系列直接传感器
2.1 光纤光栅直接应变传感器
目前，裸光纤光栅的传感特性已经比较清楚，可以直接应用于应变与温度传感，但是由于裸光纤光栅特别纤细、外径约为125微米、主要成分是SiO2，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接将其作为传感器无法胜任土木工程粗放式施工，如混凝土的浇注、钢结构的吊装以及恶劣的服役环境等。因此，对裸光纤光栅进行二次开发，即封装或增敏处理，是将光纤光栅在土木工程领域推广应用的一个重要环节。光纤光栅直接传感器的封装需要解决“结合”问题，高分子胶粘剂是解决“结合”问题的最直接的手段，然而高分子胶粘剂“短命”的蠕变、老化等性能严重地制约了光纤光栅传感器耐久性能的发挥，光纤光栅的高耐久性封装与无胶布设技术是光纤光栅在土木工程大规模应用的瓶颈技术之一。针对重大土木工程结构健康监测对耐久性传感器的迫切需求，突破传统胶粘剂封装光纤光栅应变传感器和布设工艺耐久性的不足，哈尔滨工业大学发挥交叉学科的优势，针对土木工程结构长期监测的需要，开发出了系列高耐久性光纤光栅直接传感器产品，即高性能光纤光栅应变传感器。限于篇幅，这里主要介绍几种有代表性的传感器，如有兴趣，可以参看网页信息www..cn。此外，考虑研制开发光纤光栅应变传感器的需要，还专门开发了多功能标定装置。
2.1.1 高耐久性FRP 封装埋入式光纤光栅应变传感器
本产品采用高耐久性的CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）或GFRP（Glass Fiber Reinforced Polymer）封装技术研制开发而成，整个传感头部分没有耐久性制约的部件，完全克服了传统用胶粘剂开发光纤光栅封装应变传感器不可跨越的耐久性问题。此外，FRP自身的线弹性本构特性充分保证了传感器在量程范围内的线性度特性。该传感器具有工程布设简单、量程大（5000me以上，最大可达10000me）、耐久性好、精度高、误差修正系数小等突出优点，特别适于混凝土结构内部应变的测试，可用于桥梁、建筑、水工等土木工程结构的施工、竣工试验和运营监测的应变传感器。产品照片与性能曲线如图1 和图2 所示。
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
Δλ /λ
με
CB-FBG-CE-100型2号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图 1 CFRP封装型光纤光栅应变传感器
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
y=7.88E-7x+1.127E-5
relative wavelength change
strain
increased cycle1
b）传感器典型性能曲线
图 2 GFRP封装型光纤光栅应变传感器
该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距，尤其适合大应变的较大范围监测，并可以用来监测混凝土结构的内部裂纹信息。该传感器的主要性能指标：量程大于5000 me；测试精度2～3 me（取决于解调仪）；重复性误差小于0.6％ ；线性度误差小于0.9％ ；灵敏度系数为7.7~8.0E-7（1.18~1.2me /pm）( 具体参见标定系数)；迟滞小于0.5%；在1000 微应变下循环100000 次性能没有变化；耐腐蚀环境，在工作温度35 摄氏度，盐雾为3.5%NaCl溶液的盐雾箱试验4 个月没有性能变化。
2.1.2 高耐久性端部扩径FRP 封装光纤光栅应变传感器
考虑实际土木工程内部应变测试的协同工作要求，本产品的核心特征为在上述FRP封装传感器的基础上进行端部扩径，其主要性能指标基本操持一致。产品照片与典型性能曲线如图3所示。
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
△ λ/λ= -5.755×10－5+8.340×10－7×ε
△ λ/λ
ε（ με）
CB-FGB-EGE-100型1号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图 3 高耐久性端部扩径FRP封装光纤光栅应变传感器
2.1.3 高耐久性焊接式光纤光栅应变传感器
本产品采用了FRP无胶封装技术，克服了传统用胶粘结开发光纤光栅传感器不可跨越的耐久性问题，可以根据要求任意改变标距长度，最小可达1～2cm，具有工程布设简单、可拆换、量程大、耐久性好、布线方便、精度高等突出优点，可以用于钢结构表面应变监测，采用预埋件或铆钉也可用于混凝土表面应变测试，可用作桥梁、建筑、水工等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面应变传感器。产品如图与标定曲线4 所示。其主要性能指标: 量程大于5000me；精度为1～2 me；迟滞系数小于 0.5% FS；重复性小于1.0%FS；灵敏度系数为：7.8 x10-7me-1 ；线性度系数小于 0.5％FS。
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
△ λ/λ= 6.4278×10－6+7.592×10－7×ε
△ λ/λ
ε（ με）
CB-FGB-CW-40型1号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图 4 高耐久性焊接式光纤光栅应变传感器
2.1.4 高耐久性长标距埋入式FRP 封装的光纤光栅应变传感器
考虑土木工程结构大范围内的平均应变测试需要，课题组采用FRP 筋的端部锚固技术，开发出了高耐久性长标距埋入式FRP 封装的光纤光栅应变传感器。该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距，尤其适合大应变的较大范围监测，并可以用来监测混凝土结构的内部裂纹信息。其主要性能指标为：量程大于5000m e；分辨率1m e；迟滞系数小于0.3%；重复性系数小于0.4%；灵敏度系数为.8x10-7m e－1 ；线性度系数为：≤0.4%。传感器如图5 所示。
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
△ λ/λ= -2.318×10－6+7.67×10－7×ε
△ λ/λ
ε（ με）
CB-FBG-GE-500型2号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图 5 高耐久性长标准埋入式光纤光栅应变传感器
2.2 无外力影响光纤光栅直接温度传感器
由于光纤光栅具有应变与温度的交叉敏感特性，而光纤光栅温度传感器在工程施工与服役过程中难以避免地受到尾纤的拉扯作用，这样就会导致光纤光栅温度传感器的“失真”, 从而导致测试误差。因此开发无外力影响的光纤光栅温度传感器对工程应用意义重大。为了解决这个问题，针对原型和增敏两种情况分别提出无外力影响的新型封装方法，有效地阻止了外力对光纤光栅的影响。填充热的良导体后的传感器对温度的感知速率获得提高，而灵敏度和线性度未受影响；当温度不变时，传感器两端受到80N 的外力作用时，波长读数不产生变化，达到了无外力影响的封装效果。该工艺为光纤光栅封装温度传感器服役于传输线路可能受力的环境提供了基础。为此，课题组开发了无外力影响的原型封装光纤光栅温度传感器和无外力影响增敏封装光纤光栅温度传感器。本产品特别适于不宜采用电学量温度传感器的温度场，可用于电站、输电线、埋地管线、土木结构施工监测、竣工试验和运营监测等的温度监测。
2.2.1 无外力影响的原型封装光纤光栅温度传感器
本产品采用外力屏蔽方法研制开发而成，其内嵌热良导体，具有传热快、不受外力影响、保持分布式传感能力、耐久性好、可靠性好等优点。本产品特别适于不宜采用电学量温度传感器的温度场，可用于电站、输电线、埋地管线、土木结构施工监测、竣工试验和运营监测等的温度监测。同时，它还可以用作光纤光栅应变敏感元件的温度补偿器件。传感器照片与性能曲线如图6 所示。其主要性能指标为：量程为－100～150℃；承受外力能力最大受力大于60N；测试精度：小于±0.1℃，（由解调仪决定）；重复性小于1%； 线性度小于1 % ；迟滞小于1 % 。
a）传感器照片
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
-0.0001
0.0000
0.0001
0.0002
0.0003
0.0004
0.0005
0.0006
0.0007
0.0008
△ λ/λ=3.458*10 -4+6.288*10-6T
△ λ/λ
T(℃)
CW-FBG-Y-01型1号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图6 无外力影响原型封装光纤光栅温度传感器
2.2.2 无外力影响增敏封装光纤光栅温度传感器
本产品与上述原型封装方法基本类似，不同之处就是预先将光纤光栅封装到高膨胀系数的金属材料上，然后采用采用外力屏蔽方法研制开发而成。传感器照片与性能曲线如图7 所示，其主要性能指标为：量程为－100～150℃；承受外力能力最大受力大于60N；测试精度：小于±0.1℃，（由解调仪决定）；重复性小于2%FS； 线性度小于3% FS；迟滞小于1% 。
a）传感器照片
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
△ λ/λ=8.066*10-4+1.846*10-5T
△ λ/λ
T(℃)
CW-FBG-Z-01型2号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图7 无外力影响增敏封装光纤光栅温度传感器
2.3 高耐久性封装光纤光栅钢筋计
本产品采用隔离封装技术，制作的应变传感器对钢筋受力没有加强作用，可以准确测得钢筋混凝土结构中钢筋的平均应变，具有布设方便、性能稳定、串连成网、测试准确、精度高、便于长期监测等优点，适于测量钢筋混凝土结构内部钢筋的应变。产品及标定性能特性如图8 所示。其主要技术指标与裸光纤光栅基本一致。
0 100 200 300 400 500
1554.0
1554.1
1554.2
1554.3
1554.4
1554.5
1554.6
1554.7
波长（nm）
应变(με）
＝1554.093＋0.0012
R＝0.99982
实测
拟合
图 8 高耐久性封装光纤光栅钢筋计
2.4 光纤光栅应变传感器标定装置
考虑多种类型的光纤光栅传感器标定需要，哈尔滨工业大学研制开发了便于对各种类型光纤光栅封装应变传感器标定的多功能专门仪器，如图9 所示。本装置可以配置相应的高精度参考位移测试装置，如光栅尺、千分表、高精度电阻应变计等，使用非常方便。
图 9 光纤光栅应变传感标定装置
3 光纤光栅间接传感器
考虑重大桥梁结构健康监测的实际需要，作者利用光纤光栅敏感元件开发出了针对性很强的高耐久性光纤光栅间接传感器，如光纤光栅裂缝计（大应变计）、光纤光栅位移传感器、光纤光栅冰压力传感器、光纤光栅拉索压力环等传感装置，为大型桥梁结构长期健康监测系统的提供了条件。
3.1 光纤光栅大应变传感器（裂缝计）
图10 光纤光栅大应变传感器（裂缝计）
裸光纤光栅自身的变形能力非常有限，极限应变约为3000～5000me，因此它不能胜任实际工程的大应变监测需要，尤其不能胜任裂缝信息的监测。鉴于此作者采用减敏措施，开发出了量程可达100000me的光纤光栅大应变传感器，可以直接用于小于20mm的裂缝监测，精度可达0.002mm，适于混凝土表面和钢结构表面的裂纹信息监测。产品如图10 所示。
3.2 光纤光栅位移传感器（挠度计）
考虑大型桥梁结构健康监测对位移（或大裂纹）信息监测的需要，开发出探杆式光纤光栅位移传感器，其最大量程可调（一般为10～20cm），精度可达0.01mm。光纤光栅位移传感器如图11 所示。该传感器具有安装方便、线性度和重复性好、精度较高、成本低等优点。
图11 光纤光栅位移传感器
3.3 光纤光栅冰压力传感器
冰压力是高纬度地区跨海、跨江大跨度桥梁冬季的重要荷载之一，其监测信息是用来分析该类结构的疲劳累积、完整性和安全评价的直接信息。此外，冰压力数据是该类结构设计的重要参数。然而，传统的基于电阻应变计开发的冰压力传感装置在稳定性与耐久性上遇到难以跨越的难题。作者基于双光纤光栅应变测量原理，考虑冰压力测试装置的环境条件，设计开发出了冰压力传感装置。该传感装置具有温度自补偿、测量值与荷载作用点无关、线性度和重复性好、精度较高等优点，适合海洋平台冰压力测试。产品如图12 所示。
图 12 光纤光栅冰压力传感器外观图
3.4 光纤光栅拉索压力环
拉索的整体索力是索桥结构健康监测与安全评定的重要信息。目前已经发展起来的索力监测技术主要有5 种，即压力表法、压力传感器法、频率法、磁通量法等技术。这些技术尚不能满足长期结构健康监测的耐久性、稳定性以及精度需要。作者根据电阻应变式压力环的思想，与柳州OVM 公司共同开发出了光纤光栅拉索压力环。该压力传感器具有精度高、重复性好、耐久性好、安装方便等优点，而且制作成本较低、形式改变容易等优点，适于索体构件的整体索力监测。
图13 光纤光栅拉索压力环
4 光纤光栅智能部品（结构）
光纤光栅具有尺寸小的重要特性，可以将其与其他材料复合或布设到重要结构上形成准本征型智能结构，作者根据土木工程健康监测的需要，研制开发出具有重要工程背景的光纤光栅智能复合筋/板/管/布、光纤光栅智能拉索，光纤光栅智能地秤（汽车衡）等智能部品（结构），获得很好的效果。
4.1 光纤光栅智能复合筋/板/管/布
FRP材料具有耐腐蚀、强度高、非磁性、重量轻（密度为钢材的1/6~1/4）、高疲劳限值、加工方便等优良性能，在土木工程中的应用前景十分广阔。FRP材料已经成为继石材、混凝土、钢材以后的又一重要建筑材料。目前FRP筋/板/管/布等材料已经在发达国家得到大量应用，并形成了重要规程或建议。作者结合FRP 的强度特性和光纤光栅的感知特性，研制开发出FRP－OFBG 复合筋/板/管/布。这种FRP－OFBG智能复合材料克服了光纤光栅在混凝土中埋设的工艺难题，是集感知和受力、功能材料和结构材料于一体的新型土木工程材料，既可以方便地作为混凝土结构的内部传感元件，也可以作为结构受力筋。其中FRP－OFBG智能筋产品与标定性能如图14 所示。
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
1551.5
1552.0
1552.5
1553.0
1553.5
1554.0
λ ＝ 1551.553+0.00121ε
R＝ 0.9999
波长(nm)
应变(με)
实测
拟合
图14 FRP-OFBG 智能筋产品与标定性能
4.2 光纤光栅智能拉索
为了方便长期监测拉索的内力以及可能的损伤状况，作者开发了系列光纤光栅智能拉索，如钢绞线光纤光栅智能拉索、平行钢丝束光纤光栅智能拉索以及新型索体－FRP智能拉索等，并已经用于多座桥梁结构上。
a. 光纤光栅FRP智能拉索b．光纤光栅钢丝智能拉索
图 15 光纤光栅智能拉索
4.3 光纤光栅FRP 智能锚头
锚头是FRP 材料用于实际工程的核心组件，其内部受力与损伤信息的监测目前尚没有合适的监测技术。作者采用FRP-OFBG 成功地开发了光纤光栅FRP 智能锚头，可以方便地监测锚头的内应力分布与可能的损伤信息，并能方便地计算出锚固力与分析受力特性，适于用于锚头的长期监测。
streching
direction
FBG5 FBG4 FBG3 FBG2 FBG1
conducting optical fibre
freedom end streching end
a. 光纤光栅智能锚头的布设示意图b. 锚头照片
图 16 光纤光栅FRP智能锚头
4.4 光纤光栅智能地秤
车辆荷载监测是桥梁、道路、隧道等结构健康监测和一般荷重的重要测试工具，是用来有效评估公路、桥梁服役安全状态的基本数据源之一，而传统的基于电学量的汽车衡（地秤）在耐久性指标上难以满足实际工程需要。光纤光栅智能动态汽车衡充分利用了高耐久性光纤光栅的智能感知特性，根据结构式传感装置的构造思想，巧妙地改变荷载传力过程，并采用无胶封装技术，使得整个汽车衡没有受耐久性制约的部件，并且具有很高的精度、重复性、抗疲劳等特性。此外，该产品与路基、路面匹配性很好。本产品具有成本低、耐久性好、动态响应性能好、精度较高、重复性好等优点，特别适于耐久性高的场合。主要产品形式如图17所示。
图 17 光纤光栅智能地秤
5 结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统
结构健康监测的大规模光纤光栅传感网络与集成系统一般由光纤光栅传感器、光纤光栅信号解调仪、光开关或光合波器、光纤跳线、光纤适配器、传输光缆、系统软件等部分组成，其中光纤光栅信号解调仪、光开关（合波器）与系统软件（包括与结构健康监测系统数据库的通讯部分）是核心部分，系统构建如图18 所示。
计算机
...
光纤光栅
解调仪
FBG1
光开关1
（合波器）
FBGn
FBG1 FBGn
光开关n
（合波器）
传输光缆
跳线
跳线传输光缆
光纤适配器
...
...
...
...
...
...
...
...
(a) 光纤光栅传感网络
(b) 光纤光栅监测系统实物照片(c) 系统软件
图 18 结构健康监测的大规模光纤光栅传感网络与集成系统
6 工程应用
作者及其课题组在国家863 项目、国家自然科学基金、西部交通科技项目、重大桥梁工程项目等较多重大项目的支持下，从2001 年开始，采用光纤光栅传感器进行了10 余项重大桥梁工程的结构健康监测实践，主要有山东东营黄河公路大桥、黑龙江呼兰河大桥、黑龙江牛头山大桥、山东滨州黄河公路大桥、南京长江第三大桥、湖南茅草街大桥、重庆Щ肠穥广阳岛大桥、四川峨边大渡河大桥、黑龙江松花江大桥等。本文仅仅介绍部分有代表性的重大桥梁结构监测项目。
6.1 黑龙江呼兰河大桥
呼兰河大桥位于黑龙江省呼兰县，由7个跨度为42m的5 箱预应力连续梁构成，该桥总长度为420m。由于呼兰河长期泥沙淤积、软土覆盖层很厚以及施工条件恶劣等原因，呼兰河大桥的下部均采用钻孔灌注桩基础、柱式桥墩与肋式桥台。鉴于该桥施工复杂、工期短、跨度较大、交通流量较大和冬夏温差很大等原因，对其进行健康监测具有实际意义。
2001 年，作者及其课题组将3 个光纤光栅温度传感器和12 个光纤光栅应变传感器分别布设在2 个箱梁上 (欧进萍等，2002)。布设的光纤光栅传感器监测了预应力箱形梁张拉过程的钢筋应变历程，以及箱形梁静载试验的钢筋应变增量与分布。桥梁建成一年后，光纤光栅传感器工作良好，但对比用的应变片均失效。利用布设的光纤光栅应变和温度传感器对呼兰河大桥进行了阶段性运营监测，测量的温度和应变如图19 所示，应变的峰值及其时程反应可以用于交通状况如车重量和车速的监测，也可以用于桥梁结构的累积损伤和安全评定。(欧进萍，2004)
a. 呼兰河大桥服役过程光纤光栅应变与温度监测
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
-1 0
- 8
- 6
- 4
- 2
0
2
4
6
应变(με)
时间( s )
b. 光纤光栅传感器监测车辆荷载下的应变时程
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
11
12
13
14
15
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17
18
19
温度(℃)
时间（分钟）
c. 埋入光纤光栅传感器监测桥梁温度时程
图19 光纤光栅用于呼兰河大桥健康监测
6.2 山东滨州黄河公路大桥
滨州黄河公路大桥是新建的205 国道滨博高速公路跨越黄河的重要桥梁。是目前全国第三座，山东省第一座预应力混凝土三塔斜拉桥，也是目前黄河上唯一的三塔斜拉索。大桥全长1698 米，其中主桥为42+42+300+300+42+42 米PC 斜拉桥，全宽32.8 米。主塔及边塔均采用双柱双索面型式，中塔高125.28米，边塔高75.778 米； 主梁采用开口双三角箱截面，在中塔处塔梁固结，边塔处半漂浮支承，主梁及塔柱采用55 号混凝土。北、南引桥分别为6 孔×42 米和16 孔×42 米PC 连续箱梁，全宽27.5 米。桥墩基础为钻孔灌注桩，桩径Ф1.5米，桩长最长120米。计算行车速度为120 公里/小时。荷载标准为汽车-超20级、挂车-120。概算投资6.96亿元。施工工期3年。大桥具有设计新颖、结构复杂、科技含量高、施工工期紧、施工难度大的特点。
山东滨州黄河公路大桥于2003 年11 月合拢，2004 年7 月3－6 日进行了成桥试验，如图20 所示，2004 年7 月18 日正式通车。由于桥梁结构在其服役期间性能退化显著，严重影响桥梁结构服役安全性，为此，山东省交通厅公路局委托哈尔滨工业大学为该桥设计并实施运营健康监测系统。该系统能够自动地在线运行，并可以通过Internet 网络访问该桥的数据库，也可以通过Internet网操作和控制该系统的参数。
图20 滨州黄河公路大桥成桥图
为监测大桥结构的温度和应变以对其健康状态进行评价，在桥结构中布设了138 支光纤光栅传感器。建立了基于编程光开关、光纤光栅解调仪的光纤传感网络，利用空分复用原理，实现对多个传感器的数据采集。通过程序可以远程控制光开关的切换，实现多通道静态采集及四通道动态采集，对大桥主梁监测截面与斜拉索截面的温度与应变进行监测，如图21 所示。
图21 山东滨州黄河公路大桥光纤光栅监测系统
图 22 为大桥行车动载试验，重车以60KM/H 的速度行驶过合拢段过程中，合拢段截面应变反应。波峰最大的曲线为合拢段处斜拉索监测截面应变值。峰值较小的两条曲线为合拢段处主梁应变反映。图中曲线可以如实的反应处这一过程的应变变化。图23 显示的是在24 小时范围内，测点处光纤光栅的应变反应，采样频率1Hz。温度曲线显示了。显示数据从上午8点开始，从数据中可以看到最高的温度发生在下午两点，最低温度发生在上午6 点。温度对应变结果影响很大，可以看出在进行温度补偿前后的两条曲线相差很大。
图22 动载试验的光纤光栅应变传感器测试图 23 运营期间光纤光栅应变反应和温度
6.3 山东东营黄河公路大桥
东营黄河公路大桥位于山东省东营市，南北跨越垦利县和利津县，距黄河入gjigi海口约70km，是目前黄河下游最后一座桥梁。该项目是国家规划的“五纵”、“四横”干线公路网及山东省综合运输网主框架的重要组成部分。东营黄河公路大桥按高速公路标准建设，全长2743.1m，为双向4 车道，桥宽26m，设计行车速度100km/h，设计荷载汽一超20，挂一120；主桥为116+200+220+200+116m预应力混凝土刚构一连续组合梁，主墩为壁厚1.8m、中心距8m的双薄壁墩，其他各墩均为矩形截面实体墩，全桥均为钻孔灌注桩基础。目前该桥已经完成桥面铺装。图24 为施工阶段的主桥。
图24 山东滨州黄河公路大桥光纤光栅监测系统
该桥在施工过程中经历多次体系转换，施工过程复杂，且影响因素较多，这些不确定性因素可能引起结构主要参数如梁重、结构刚度等的变化，进而导致结构内力状态与设计理想状态偏离，且这些参数误差具有累计性，必须在施工过程中不断地进行监测、识别、控制。该桥的服役环境相当恶劣，加之疲劳效应、腐蚀效应、材料老化和超载等不利因素的影响，结构不可避免地要产生损伤累积、抗力衰减。在该桥运营期间，对结构内力及变形必须进行适时健康监测。另外新桥在通车前必须进行荷载实验，以验证本桥设计与施工质量、了解桥梁结构的实际承载能力。从监测信息衔接的完整性角度，该桥是目前世界上唯一集施工监测、成桥试验、健康监测三位一体的大桥。该桥目前还在建设中。课题组在该桥上下游两幅桥中共布设光纤光栅应变传感器1688 个，温度传感器180 个，布设照片如图25 所示。
图 25 东营黄河公路大桥传感器布设
为做好应变测量的温度补偿工作，在所有内力测面的顶板、底板及腹板中，均优化布设了光纤光栅温度传感器；为尽量减小日照温差引起的局部温度荷载的干扰，内力测量选择在日出前进行；为尽量避开风荷载的干扰，测量均选择在3 级风以下天气进行。图25 为上游5 测面在8#墩20#块绑扎钢筋时，纵向应变测量值及其按平截面假设梁理论计算而得到的正应变沿梁高分布示意图，该测面距8#墩中心7.6m，测面高度10.548m，形心距顶板上边缘4.961m，距底板下边缘5.586m。
图25 上游5测面在20#梁段绑扎钢筋时纵向应变测量值及设计计算值对比
从图25 可见，悬臂施工梁端全截面受压，且顶板压应力储备较大；腹板上部顶板测点压应变值较顶板平均应变值大，腹板下部底板测点压应变值较底板平均应变值大，悬臂变截面箱梁在端部呈现明显的正剪力滞效应；从顶板、底板及形心测量值整体来看，该测面纵向弯曲变形基本符合平截面假定，测量值与计算值基本吻合。
6.4 南京长江第三大桥施工监测
南京长江第三大桥是国家“十五”期间重点建设项目，是上海至成都国道主干线的重要组成部分，也是江苏省规划建设的五大战略性过江通道之一。南京长江第三大桥是双塔双柱斜拉桥，主跨648m，钢索塔、钢箱梁桥面结构，基础形式采用钢套箱加钻孔灌注桩组合而成的高桩承台。其建设条件复杂，技术标准高，施工难度大。南塔桥墩处水深流急，经过方案优化对比，桩基础施工采用平台结构施工方法，即由定位船和两条导向船组成施工平台。施工时，首先将钢套箱（ 29×24.6×84m）沉入水下－13.1m 处，通过缆索将钢套箱与定位船连接，形成相对稳固的临时结构；然后，将8根钢护筒（ 3.360m和3.340）分批打入河床土中，将钢护筒与钢套箱刚性连接，使钢护筒定位；而后，在钢护筒中钻孔沉入钢筋骨架；最后，浇注混凝土形成桩基础。南京三桥效果图与施工过程图如图26 和27 所示。
南京长江第三大桥桥索塔深水桩基础的施工工艺十分复杂，施工过程中基础关键构件的受力具有时变特性和精确计算的困难，因此，采取有效措施监测其关键构件施工全过程的受力状态，对于确保桩基础施工安全是十分必要的。本项目监测钢护筒施工阶段的受力状态、桩基础的受力状态、套箱吊杆的轴力，以及承台施工阶段的温度及温度应力状态。
图26 南京长江三桥效果图
图27 南京三桥施工照片
课题组在南京三桥深垐垐垐水基础施工监测项目中共布设了397 个光纤光栅应变和温度传感器，其中温度测量225，吊杆14，主墩护筒87，试验桩11，基桩钢筋笼60，是目前国际上施工控制中布设光纤光栅应变和温度传感器最多的桥梁基础。此外，开发的施工监测系统与综合数据管理系统数据库，推动了信息化施工的发展，还可以作为大桥健康监测系统的基础和有机组成部分。
图 28 钢护筒传感器布设
图 29 桩基础传感器布设
图30 钢护筒施工监测
图31 施工监测软件
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
6-26 7-1 7-6 7-11 7-16 7-21 7-26 7-31 8-5 8-10 8-15
日期
测点温度
测点13 测点14 测点15 测点16 测点17 测点18
测点19 测点20 测点21 测点22 测点23 测点24
测点25 测点26 测点27 测点28 环温
图 32 部分温度场监测效果
图 28－32 为部分传感器布设、监测过程与监测结果。本项目课题组采用先进的光纤光栅传感技术、数据采集技术和现代数据管理技术开发了索塔基础施工智能监测系统，对索塔护筒和基桩进行了力学分析，研究了光纤光栅的布设工艺，并在钢护筒施工阶段、索塔桩基础施工阶段、封底混凝土施工阶段和索塔承台大体积混凝土的施工阶段布设了较大规模的光纤光栅应变和温度传感器，对相应施工阶段进行了监测，为南京三桥索塔深水桩基础的施工过程提供了参考数据和具体的施工控制方案。
6.5 湖南茅草街大桥
湖南省南县茅草街大桥是省道1831 线跨越松澧洪道、藕池河西支、南茅运河及沱江的一座特大型桥梁。大桥全长7579.7 米，概算总投资，跨松澧洪道桥主桥按80m+368m+80m 三跨连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥布置。边跨、主跨拱脚均固结于拱座，边跨曲梁与边墩之间设置轴向活动盆式支座，在两边跨端部之间设置钢铰线系杆，通过边拱拱肋平衡主拱拱肋所产生的水平推力。桥梁概貌如图33 所示。
茅草街大桥是目前世界上跨度最大的中承式钢管混凝土系杆拱桥，其在运营期间的风、地震、车辆等荷载以及温度等作用下的受力性能十分复杂，因此，在该桥上布设运营健康监测系统，实时监测该桥运营期间的安全性，对于保证茅草街大桥运营期间的安全性，具有十分重要的意义和实用价值。
图33 茅草街大桥主桥概貌
考虑有限元静动力分析结果实际情况，作者及其课题在主拱拱肋内、吊杆与系杆上布设光纤光栅传感器共100 余支，如图34 所示。该桥目前还在施工建设中。
图34 茅草街大桥传感器布设
6.6 重庆广阳岛大桥
重庆市广阳岛大桥全桥长1129.16m。是预应力混凝土连续刚构桥，单箱单室截面。上部构造为115.5m+210m+115.5m连续刚构+17×40m简支梁，下部构造为柱式墩、桩基础。设计荷载为汽车—20 级，挂车—100 级，人群3.5kN/m2。桥面静宽度为1.75m 人行道（含栏杆）+9.00m（行车道）+1.75m 人行道（含栏杆）=12.50m，为 2 车道设计。连续刚构上部采用预应力混凝土箱梁、单幅桥设计。主桥长度为441m。主梁采用单箱单室，箱顶宽12.5m，箱底宽6.0m，单侧悬臂宽度3.25m。箱梁跨中梁高3.5m，墩顶跨端梁高11.0m，单“T”箱梁梁高采用半立方抛物线变化。主梁及主墩墩身采用55 号混凝土，箱梁采用了纵、横、竖三向预应力结构，纵向及桥面横向的预应力采用Φ15.24mm 钢绞线，竖向预应力采用Φ32 的40Si2MnMoV 高强度精轧螺纹粗钢筋。图35 为刚开始主梁悬臂施工的广阳岛大桥主桥。目前，该桥还在建设中。
图 35 悬臂施工阶段的广阳岛大桥主桥
该桥是一座大跨度连续刚构桥，其受力状态复杂，主梁往往受到双向弯曲、扭转和剪力的作用，加之近年来车辆超载普遍，严重威胁桥梁的服役安全。对桥梁进行健康监测，是保障桥梁安全服役的有效措施。用 ANSYS 进行计算分析，针对该桥梁的受力特点，在该桥梁受力较大的截面上布设了光纤光栅-纤维复合筋（5m 长）、光纤光栅应变和温度传感器共50 余个，用来监测该桥关键截面的受力状态。纤维复合筋内部也设置了光纤光栅，其直径较大，长度较长（5m），它既发挥传感器的作用，也发挥加强筋的作用。各传感器相应布设图片如图36 所示。
图36 重庆广阳岛大桥光纤光栅传感器布设
6.7 黑龙江松花江大桥
哈尔滨四方台松花江大桥为主跨336 米的钢—混凝土组合结构斜拉桥，主桥全长696 米，是东北乃至北方地区最大跨径的组合结构斜拉桥。黑龙江省哈尔滨松花江四方台大桥采用双塔双索面半漂浮结合梁斜拉桥体系，引桥采用预应力混凝土连续箱梁结构。桥梁全长1268.86m，主桥长696m，引桥长572.86m。
本桥采用热挤聚乙烯半平行斜拉索，拉索采用φ7 低松弛预应力镀锌高强钢丝，外包PE 防护材料。全桥共计52 对斜拉索。拉索索面为空间扇形，自上向下向桥外侧倾斜；塔内拉索虚交点之间竖向距离为2.0m，最上端索距塔顶面4.92m，梁上拉索锚点水平间距为12.0m，1#索锚点距顺桥向塔中心水平距离约15.2m。哈尔滨四方台松花江大桥的效果图如图37 所示。
图37 黑龙江松花江大桥图38 ZM2Z1 子截面传感器实际布置图
2003 年，课题组首先建立了哈尔滨松花江四方台大桥的有限元分析模型，通过对该结构进行分析，获得了结构受力状态，根据结构应力分布特点，按照热点应力原则，确定了光纤光栅传感器的布设方案，以监测主梁的应变和温度，共布设了60支光纤光栅传感器。图38 为传感器布设情况。监测的部分结果如下图39 所示。
图39 黑龙江松花江大桥运营监测
图39 显示的是跨中钢主梁下缘测点处光纤光栅测量的运营阶段行车动态反应。从曲线中可以清晰的看到这种车辆作用于大桥结构产生的影响，采样频率50Hz。最大的动载反应为90με。此图为上图动态监测局部放大图，可以更加清晰的看到车辆动载产生的应变反应。最大峰值处为重车反应，小峰值处为轻车
反应。监测结果与实际情况吻合很好。
7 研究项目与产业化
7.1 项目研究
哈尔滨工业大学在国家863重大项目“海洋平台结构的实时监测与检测成像技术（编号2001AA602023）和“光纤光栅传感网络关键技术研究与工程应用”（编号：2002AA3131110）、西部交通重点项目、国家高技术应用项目、国家自然科学基金重大国际合作项目“重大工程结构的智能健康监测，”（中、美、日） 、“钢筋混凝土结构的光纤光栅智能监测（编号50308008）和“FRP 加筋混凝土构件的力学性能与智能特性”(项目编号：50208007) 和中俄协议项目、中国博士后基金等纵向课题以及一批重大工程应用项目等项目的共同资助下，对光纤光栅传感传感技术进行了较系统研究，已经形成多份研究报告、国家专利、论文等自主知识产权的成果。
7.2 国际合作
为了推动结构健康监测的发展，哈工大负责了“重大工程结构的智能健康监测”（中、美、日）重大国际合作项目，并与美国、日本、韩国等国家和地区共同了成立了“亚太结构健康监测与控制协同研究中心”，光纤传感为其中的重要研究内容。此外，针对光纤光栅传感器的发展需要，成立了“哈工大－MOI光纤光栅传感器与监测系统”联合试验室和“中俄结构健康监测的光电技术”联合实验室，目前在该方向研究人员达20 余人。
7.3 产业化
目前，哈尔滨工业大学研制开发的系列光纤光栅传感器及其部品已经基本定型，并已经得到工程检验，获得了“2004 年国家重点高新技术产品”和“黑龙江省高新技术产品证书”,已经形成相应的产品系列，分别由“哈尔滨泰达尔科技有限公司”（www..cn）和“宁波杉工结构监测与控制中心”开发与生产。
8 结语
本文重点介绍了作者及其课题组近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大桥梁结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。根据作者及其课题组的研究结果与工程实践表明，光纤光栅传感器是适于重大桥梁结构健康监测的理想传感器。考虑重大桥梁结构健康监测对光纤光栅传感器的需求，以下方面是值得考虑的：
1）传感器的耐久性与耐久性的布设工艺。重点突破满足土木工程对高耐久性传感器的需求和监测耐久性的传感亟的研制与开发，如腐蚀传感器等。
2）行业标准与规程。目前，市场上开发的传感器可谓“丰富多彩”，但是缺少同统一标准约束，而且部分厂家的传感器未经过严格的性能试验，造成业主难以适从。建立行业标准与规程是推动光纤光栅传感器应用的核心工作。
3）高性能光纤光栅解调设备。目前，虽然市场已经出现一些光纤光栅解调装备，但是从“健康监测”的角度出发，还不能完全满足长期、_____大规模、实时监测的需求。
4）系统集成。光纤光栅监测系统与健康监测系统的集成将充分显示健康监测系统的优点，将是今后的发展方向。
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霍尔传感器的应用
霍尔传感器用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。
一、霍尔效应：
如〔图1〕所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为。图中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。
二、霍尔传感器：
由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如〔图2〕所示，是其中一种型号的外形图。
1、霍尔传感器的分类：
霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。
（1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。
（2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
三、霍尔传感器的特性：
1 线性型霍尔传感器的特性：
输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如〔图3〕所示，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。
2、开关型霍尔传感器的特性：
如〔图4〕所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。
当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。
另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如〔图5〕所示。
当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平
产生变化。
四、霍尔传感器的应用
按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检
对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信
息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、
转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。
（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。
1．电流传感器： 由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。
霍尔电流传感器工作原理如〔图6〕所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。
2．位移测量： 　如〔图7〕所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移距离大小成正比。如果把拉力、压力等参数变成位移距离，便可测出拉力及压力的大小，如〔图8〕所示，是按这一原理制成的力矩传感器。
（二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。
1．测转速或转数： 　如〔图9〕所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。 如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。
2．各种实用电路： 　　开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明：
电路1 防盗报警器 ，如〔图10〕所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。
电路2 公共汽车门状态显示器 ： 　　使用霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器，例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。电路如〔图11〕所示，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。若三个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好，若三个门都关好，则或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。
1．电流传感器： 　　由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。
　　霍尔电流传感器工作原理如〔图6〕所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。
　　2．位移测量： 　　如〔图7〕所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移距离大小成正比。如果把拉力、压力等参数变成位移距离，便可测出拉力及压力的大小，如〔图8〕所示，是按这一原理制成的力矩传感器。
　　1．电流传感器
　　由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

　　霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

　　2．位移测量
　　如图7所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。


　　如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，是按这一原理制成的力传感器。



　　（二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

　　1．测转速或转数

　　如图9所示，，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。


　　如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

　　2．各种实用电路

　　开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明：

电路1 防盗报警器
　　如图10所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。

　　电路2 公共汽车门状态显示器


　　使用霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器，例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。电路如图11所示，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。若三个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好，若三个门都关好，则或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。 　
　 　
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电涡流传感器的典型应用 电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。
轴向位移测量
对于许多旋转机械，包括蒸汽轮机、燃汽轮机、水轮机、离心式和轴流式压缩机、离心泵等，轴向位移是一个十分重要的信号，过大的轴向位移将会引起过大的机构损坏。轴向位移的测量，可以指示旋转部件与固定部件之间的轴向间隙或相对瞬时的位移变化，用以防止机器的破坏。轴向位移是指机器内部转子沿轴心方向，相对于止推轴承二者之间的间隙而言。有些机械故障，也可通过轴向位移的探测，进行判别：
● 止推轴承的磨损与失效 ● 平衡活塞的磨损与失效
● 止推法兰的松动 ● 联轴节的锁住等。
轴向位移（轴向间隙）的测量，经常与轴向振动弄混。轴向振动是指传感器探头表面与被测体，沿轴向之间距离的快速变动，这是一种轴的振动，用峰峰值表示。它与平均间隙无关。有些故障可以导致轴向振动。例如压缩机的踹振和不对中即是。
振动测量
测量径向振动，可以由它看到轴承的工作状态，还可以看到转子的不平衡，不对中等机械故障。可以提供对于下列关键或基础机械进行机械状态监测所需要的信息：
·工业透平，蒸汽/燃汽 ·压缩机，空气/特殊用途气体，径向/轴向
·膨胀机 ·动力发电透平，蒸汽/燃汽/水利
·电动马达 ·发电机
·励磁机 ·齿轮箱
·泵 ·风扇
·鼓风机 ·往复式机械
振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。可为如下各种机械故障的早期判别提供了重要信息。
·轴的同步振动 ·油膜失稳
·转子摩擦 ·部件松动
·轴承套筒松动 ·压缩机踹振
·滚动部件轴承失效 ·径向预载，内部/外部包括不对中
·轴承巴氏合金磨损 ·轴承间隙过大，径向/轴向
·平衡（阻气）活塞磨损/失效 ·联轴器“锁死”
·轴弯曲 ·轴裂纹
·电动马达空气间隙不匀 ·齿轮咬合问题
·透平叶片通道共振 ·叶轮通过现象
偏心测量
偏心是在低转速的情况下，对轴弯曲程度的测量，这种弯曲可由下列情况引起：
·原有的机械弯曲 ·临时温升导致的弯曲 ·在静止状态下，必然有些向下弯曲，有时也叫重力弯曲。
偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。特别是对于装有透平监测仪表系统（TSI）的汽轮机，在启动或停机过程中，偏心测量已成为不可少的测量项目。它使你能看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置，也叫轴的径向位置，它经常用来指示轴承的磨损，以及加载荷的大小。如由不对中导致的那种情况，它同时也用来决定轴的方位角，方位角可以说明转子是否稳定。
胀差测量
对于汽轮发电机组来说，在其启动和停机时，由于金属材料的不同，热膨胀系数的不同，以及散热的不同，轴的热膨胀可能超过壳体膨胀；有可能导致透平机的旋转部件和静止部件（如机壳、喷嘴、台座等）的相互接触，导致机器的破坏。因此胀差的测量是非常重要的。
转速测量
对于所有旋转机械而言，都需要监测旋转机械轴的转速，转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。而电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速，抗干扰性能也非常强。 电涡流传感器的典型应用图例 补偿式胀差测量 双斜面胀差测量 轴承测量示意图 换向片测量示意图
图2—1 传感器的典型应用实例 滚动轴承、电机换向器整流片动态监控 对使用滚动轴承的机器预测性维修很重要。探头安装在轴承外壳中，以便观察轴承外环。由于滚动元件在轴承旋转时，滚动元件与轴承有缺陷的地方相碰撞时，外环会产生微小变形。监测系统可以监测到这种变形信号。当信号变形时意味着发生了轴承故障，如滚动元件的裂纹缺陷或者轴承环的缺陷等。还可以测量轴承内环运行状态，经过运算可以测量轴承打滑度。 图2—2 图2—3 电涡流传感器及其监测系统在汽轮机上的典型应用
3、电涡流传感器测量时的安装要求
OD9000/9000XL系列电涡流传感器 （1）轴的径向振动测量
当需要测量轴的径向振动时，要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。每个测点应同时安装两个传感器探头，两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔90 ±5 。由于轴承盖一般是水平分割的，因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45 ，从原动机端看，分别定义为X探头（水平方向）和Y探头（垂直方向），X方向在垂直中心线的右侧，Y方向在垂直中心线的左侧。 图3-1 轴的径向振动测量
表3-1 轴的径向振动探头安装位置与轴承的最大距离 测量轴承直径最大距离0~76mm25mm76~510mm76mm大于520mm160mm
图3—2 为径向振动测量时探头的安装 探头中心线应与轴心线正交，探头监测的表面（正对探头中心线的两边1.5倍探头直径宽度的轴的整个圆周面，如图）应无裂痕或其它任何不连续的表面现象（如键槽、凸凹不平、油孔等），且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀，其表面的粗糟度应在0.4 μm至0.8 μm之间。
轴向位移测量
测量轴的轴向位移时，测量面应该与轴是一个整体，这个测量面是以探头的中心线为中心，宽度为1.5倍的探头圆环。探头安装距离距止推法兰盘不应超过305mm(API670标准推荐值)，否则测量结果不仅包含轴向位移的变化，而且包含胀差在内的变化，这样测量的不是轴的真实位移值。 键相测量
图3—3 键相器测量 键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键，称键相标记。当这个凹槽或凸键转到探头位置时，相当于探头与被测面间距突变，传感器会产生一个脉冲信号，轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过对脉冲计数，可以测量轴的转速；通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。
凹槽或凸键要足够大，以使产生的脉冲信号峰峰值不小于5V（AP1670标准要求不小于7V）。一般若采用φ5、φ8探头，则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm（推荐采用2.5mm以上）、长度应大于0.2mm。凹槽或凸键应平行于轴中心线，其长度尽量长，以防当轴产生轴向窜动时，探头还能对着凹槽或凸键。为了避免由于轴相位移引起的探头与被测面之间的间隙变化过大，应将键相探头安装在轴的径向，而不是轴向的位置。应尽可能地将键相探头安装在机组的驱动部分上，这样即使机组的驱动部分与载荷脱离，传感器仍会有键相信号输出。当机组具有不同的转速时通常需要有多套键相传感器探头对其进行监测，从而可以为机组的各部分提供有效的键相信号。
键相标记可以是凹槽，也可以是凸键，如图所示，API670标准要求用凹槽的形式。当标记是凹槽时，安装探头要对着轴的完整部分调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点为宜），而不是对着凹槽来调整初始安装间隙。而当标记是凸键时探头一定要对着凸起的顶部表面调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点为宜），不是对着轴的其它完整表面进行调整。否则当轴转动时，可能会造成凸键与探头碰撞，剪断探头。
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电阻应变片的选择与应用
摘要：本文主要从电阻应变片的形式、尺寸、阻值、温度、蠕变等几个方面，谈了选用电阻应变片的方法和原则，还介绍了电阻应变片在一些新技术中的应用，以及电阻应变片未来的发展。对电阻应变片的选择要点与应用注意事项做了简要的论述。
关键词：电阻应变片；传感器；栅长；频率；蠕变；电阻应变测试技术。
1引言：
电阻应变片是一种电阻式的敏感元件，它一般由基底、敏感栅、覆盖层和引线四部分组成。把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。现在使用的称重传感器、力传感器，绝大部分都是电阻应变式传感器。随着传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用，对传感器技术的要求也越来越高。以下讨论的是传感器生产选用电阻应变片应着重考虑的因素及传感器在生产方面的应用。
2 电阻应变片的工作原理
2.1 金属的电阻应变效应
当金属丝在外力作用下发生机械型变时，其电阻值将发生变化，这种现象称为电阻的应变效应。
2.2 应变片的基本结构及量原理
各种电阻应变片的结构大体相同，一般以合金电阻丝绕成形如栅栏的敏感栅，敏感栅粘贴在绝缘的基底上，电阻丝的两端焊接引出线，敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。
用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象的表面。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流变化。其存在如下关系式:
=k·
式中:为电阻变化率;k为灵敏系数; 为应变值。
图1电阻应变片结构图
2.3金属应变片的主要特性
（1）灵敏系数
灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单项应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴相应变之比。
实验表明，电阻应变片的灵敏系数k恒小于电阻丝的灵敏度k。,其原因除了粘结层传递变形失真外，还存在有横向效应。
（2）横向效应
粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片，其敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成。这时，各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变，电阻值将增加，但在圆弧段上，沿各微断轴向的应变却并非和直线段上的一样，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同按松泊关系，在垂直方向上产生负的应压度，因此该段的电阻时减小的。由此可见，将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。
（3）机械滞后
应变片安装在试件上以后，在一定温度下，其（）——的加载特性与卸载特性不重合，在同一机械应变值下，其对应的值不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的滞后。
产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和黏合剂在承受机械应变后所留下的残余形变所造成的，为了减少滞后，除选用合适的黏合剂外，最好在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。
（4）零漂和蠕变
粘贴再试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。
如果在一定的温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。
这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。
（5）最大工作电流和绝缘电阻
最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高。但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至把应变片烧毁。工作电流的选取，要根据散热条件而定，主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的材料和尺寸，粘合剂的材料和厚度以及试件的散热性能等。
绝缘电阻是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求50～100M左右。绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差。如果应变片受潮，绝缘电阻大大降低。应变片绝缘电阻取决与粘合剂及基底材料的种类以及它们的固化工艺。基底与胶层愈厚，绝缘电阻愈大，但会使应变片灵敏系数减小，蠕变和滞后增加，因此基底与胶层不可太厚。
2.4 电阻应变片的优点
与其他测量手段相比，电阻应变片有以下优点：
（1）测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测1～2，误差小于1％。
（2）应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小，既可用于静态测量，又可用于动态测量。
（3）测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1％～20％。
（4）适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。
（5）便于多点测量、远距离测量和遥测。
3 电阻应变片的选择
3.1电阻应变片应具有的基本特性
（1）具有适当的线性灵敏系数，并且稳定性较高；
（2）具有蠕变自补偿功能；
（3）具有小的电阻温度系数，热输出小，零点漂移小；
（4）横向效应系数小，机械滞后小，疲劳寿命高；
（5）具有较好的稳定性、重复性，并且能够在较宽的温度范围内工作；
（6）适用于动态和静态测量。
满足以上要求的电阻应变片的种类很多，具体选用时还要根据弹性体的结构、应力状态、材料、使用环境条件、以及电阻应变片的阻值、尺寸、蠕变匹配等因素，综合考虑选用合适的应变片。
3.2 应变片结构形式的选择
根据应变测量的目的、被测试件的材料和其应力状态以及测量精度，选择应变片的形式，对于测试点应力状态是一维应力的结构，可以选用单轴应变片，已经知道主应力方向的二维应力结构，可以使用直角应变花，并使其中一条应变栅与主应力方向一致，如主应力方向未知就必须使用三栅或四栅的应变花。对于传感器设计来说，应变片的形式主要决定于弹性体的结构，如柱式、板环、双孔平行梁等弹性体，他们采样正应力或弯曲应力，所以应变片均采用单轴应变片。另外象剪切桥式、轮辐式、剪切悬臂式、三梁剪切式弹性体一般使用双轴45 应变片。平膜片压力传感器多采用全桥圆形应变片。
3.3应变片尺寸的选择
选择应变片尺寸时应考虑应力分布、动静态测量、弹性体应变区大小等因素。若材质均匀、应力剃度大，应选用栅长小的应变片，若材质不均匀而强度不等的材料（如混凝土）或应力分布变化比较缓慢的构件，应选用栅长大的应变片。对于冲击载荷或高频动荷作用下的应变测量，还要考虑应变片的响应频率，如下表所示。一般来说，应变片丝栅越小，测量精度越高，越能正确反映出被测量点的真实应变，因此，在加工精度可以保证的情况下，综合考虑各种因素影响，应变片的栅长小一些比大一些好。
表1各种栅长应变片的最高工作频率
应变片栅长L（毫米） 1 2 5 10 20 25 50
可测频率F(千赫) 250 125 50 25 12.5 10 5
注：表中是在钢材上正弦应变信号测得的数据，其中
L=/20，=C/f
式中C为应变波传播速度，对于钢和铝C=5000米/秒，f为正弦应变频率
3.4 电阻值的选择
国家标准中电阻应变片的阻值规定为60、120、200、350、500、1000，目前传感器生产中大多选用350的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，大阻值应变片应用越来越广。并且大阻值应变片在测力应用范围，特别是材料试验机用的负荷传感器，由于传感器的零飘特性，对测量精度影响极大，而高阻值（如1000G）应变片，不仅可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器的长期稳定性，而且再要求告分辨率的电子天平重应用也是非常有利的。因此，在不考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。
3.5 使用温度的选择
使用环境温度对应变片的影响很大，应根据使用温度选用不同丝栅材料的应变片，国家标准中规定的常温应变片使用温度为－30～60 C。一般康铜合金的最高使用温度为300 C
卡玛合金为450 C，铁镍铝合金可以达到700～1000 C。常温应变片一般采用康铜制造，在应变片型号中省略使用温度。如果需要高温应变片需特别说明。由于基底材料和粘接胶的限制，目前中温箔式电阻应变片一般都使用卡玛合金制作200～250 C左右的中温应变片。
3.6 蠕变的选择
传感器一般由弹性体、应变片、粘接剂、保护层等部分组成，弹性体金属材料本身存在的弹性后效、以及热处理工艺等原因可以造成负蠕变影响，因此传感器的蠕变指标是由各种因素中综合作用最终形成的。在上述因素中，对于某一传感器生产厂家，许多的因素都是相对固定的，一般不会由很大改变，因此应变片生产厂家都通过应变片的图形设计、工艺控制来制造出蠕变不同的系列应变片供用户选用。每一个传感器生产厂由于原材料、粘接剂、贴片。固化工艺的不同，在应变片选型时，必须进行蠕变匹配试验。一般规律是同一种结构形式的传感器量程越小，传感器的蠕变越正，应该选用蠕变补偿序号更负的应变片来与之匹配。
4 电阻应变片及电阻应变片式传感器在各个领域的应用
电阻应变片式传感器可以测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数，一般来说，电阻应变片式传感器的结构简单，性能稳定，灵敏度较高，适合动态测量。现已被广泛应用于工程测量和科学实验中。下面进行详细的描述。
4.1电阻应变测试技术在土木工程中的应用
应变计电测作为一种无损检测技术在各类工程结构中得到广泛应用。但是电阻应变片的测试结果受温度、湿度、导线长短等环境因素的影响极大。如何处理好这些问题是电阻应变片在土木工程中应用的关键。
应变计电测使用电阻应变片可分为两种方法，一种是将应变片直接粘贴在某一受载零件表面上进行测量。这种方法简单，但不够精确。
另一种方法是将应变片粘贴在弹性元件上制成传感器，受载后建立载荷与电阻变化间的函数关系，通过预先确定的载荷标定曲线获得测量的载荷值。所获的的测量结果比较准确。
4.2测定载荷
各种结构物工作运行中要承受各种外力的作应，工程上将这些外力称为载荷。载荷是进行强度和刚度计算得主要依据。通常在设计时确定载荷有三种办法。即类比法、计算法和实测法。下面介绍实测法中的电阻应变法测定载荷。
电阻应变法测定载荷的方法是利用由应变片、应变仪和指示记录器组成的测量系统进行载荷值的测量。先将应变片粘贴在零件或传感器上，在零件受载变形后应变片中的电阻随之发生变化，经应变仪组成的测量电桥使电阻值的变化转换成电压信号并加以放大，最后经指示器或记录器显示出与载荷成比例变化的曲线，通过标定就可以得到所需数据值的大小。
这种方法现已广泛应用于各种构造物的载荷测定，如船闸、桥梁以及房屋建筑等工程领域。
4.3智能健康监测
大型、重要的土木工程结构，如桥梁、超高层建筑、电视塔、水坝、核电站、海洋采油平台等，其服役期长达几十年甚至上百年，在疲劳、腐蚀效应及材料老化等不利因素影响下，不可避免的产生损伤累计甚至产生突发事故。虽然一些事故发生前出现了漏洞、塌陷、开裂等征兆，但因缺乏报警监测系统，无法避免事故的发生。因此，对现存的重要结构和设施进行健康检测，评价其安全状况，修复、控制损伤及在新建结构和设施中增设长期的健康检测系统已成为必须，
目前，钢筋结构的应变监测普遍测用电阻应变片，将之粘贴在结构表面或受理筋上后买入砼内，对钢筋砼结构进行实时/在线的智能健康监测。
4.4存在的问题
对于一些大体积砼结构而言，有体积大、受力变形相对较小的特征，往往会出现环境因素影响掩盖了结构的真实变形，使得应变片不能反映结构的真实受力状况。为了避免这种现象，在检测期间以及检测之前的准备过程中就应该采取一些措施，尽可能减小外界环境的影响，或者有效地将环境影响与结构变形区分开来，以保证检测结果的可靠性。
其中较为明显的问题一般出在长导线电阻的影响和潮湿环境的影响。
检测体积庞大的大型结构时，观测点数量相当多，连接应变片与应变仪之间的导线一般都很长，导线电阻的影响不容忽视。
检测潮湿环境下的工程界构或桥梁水下结构部位时，应变片的防潮。防水时保证量测结果可靠性的一个关键问题。
5小结
以上从大体上讨论了选用电阻应变片时应主要考虑的地方，但这些只是诸多因素中的一部分，还有许多因素需要结合具体情况加以考虑。电阻应变测试技术在各个领域的应用越来越广，但是也应该看到，这种技术还不完善，还存在很多问题有待解决。但是随着材料科学和工艺技术的发展，电阻应变片的应用前景一定越来越广。
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