WCA May/July 2020

使用伪随机码询问的光纤 应变仪

作者： William E Hodges 、 Abhishek P Jawale 、 Damon E Pate 、 Ryan C McEntire 、 Simon G Jackowski 和 Elliot J Panicco ，美国北卡罗来纳州北卡罗来纳大学夏洛特分校工程高级设计系

摘要

变仪。项目结束时将发明出一种功能齐全且使用伪随机码的 光纤应变仪，同时还会提供一台可用于仪器实验室的测试设 备。

本论文解释并探讨了使用伪随机码的光纤应变仪的用途和功 能。研究并完成本项目的目的是为北卡罗来纳大学夏洛特分 校机械工程系的学生发明一个实验室仪器。

与测试设备的功能和代码逻辑相关的描述性文档也会一起提 供，以便在未来进行故障排除。

目前已有一些可测量应变力的实验室仪器供机械工程系的学 生使用和学习，但仍需一种更精确的工业相关的应变仪。

2.2 项目规范 2.2.1 性能规范 性能规范 1 ：光纤应变仪的精确度应与光纤 Bragg 光栅相当， 可测量 2x10 -3 微应变力。 性能规范 2 ： LabVIEW 将收集 10 Hz 数据，并在运行过程中实 时显示结果。 性能规范 3 ：硬件成本不得高于 1000 美元。 性能规范 4 ：测试所用光纤电缆不得超过 1 米。 2.2.2 性能验证 验证 1 ： 预校准的丝式应变仪将用于初次结果的测试，以 便进行验证。 验证 2 ： 以快速演替的方式不断对电缆施加和释放应变 力，以便验证性能规范 2 。 验证 3 ： 选用具有成本效益的零件，使最终产品的成本低 于 1000 美元，以便验证性能规范 3 。 验证 4 ： 对测试所用的光纤电缆进行测量，确保其长度不 足一米，以便验证性能规范 4 。 2.3 设计说明 一开始并未计划将该项目设计为大学的实验室项目。因此， 该项目的最初目的是证明光纤应变仪可以正确使用，而且其 结果是可呈现的。我们一开始设计的是一款可以放在环境实 验箱中的设备，环境试验箱可以随温度的变化发生膨胀和收 缩。因此，我们所有的组件都必须能够在各种温度下运行。 实时显示应变力也在考虑之中，但不是主要关注点。 在项目开展几周后，通过与指导教师进行更深入的谈话，我 们了解到该项目可以在未来成为学生们的实验室，因此项目 的关注点发生了转移。光纤应变仪仍是主要目标，但它的使 用方式却发生了很大的改变。我们要找到一个可以让学生们 反复使用的简单方案。我们认为，压力容器是在课堂上演示 应变力的最好方法。 用打气筒向圆柱形软管中打气，缠绕在软管中央部位的光纤 可用于测定每 psi 压力下的应变力。为了便于学生观察、记录 数据，并将数据带回去做进一步分析，实时展示应变力十分 重要。 此时项目规范便发生了改变，从测试压缩和拉伸状态下的应 变力，到只测试拉伸应变力；从测试较大温度范围内的应变 力，到实时显示应变力。此外，我们也更改了应变仪与电 脑的通信方式，因为它们之间的通信必须要在仪器实验室

1 概述 光纤电缆在数据传输和传感器领域已成为一种应用十分广泛 的介质，但这种传感器需要使用一种专门订购的光纤电缆， 即光纤 Bragg 光栅( FBG )。这种光纤电缆需要将电缆精确接 入，才能形成所需的反射指数，但这也增加了终端产品的成 本。本研究的目的是发明一个不使用 FBG 电缆的应变仪。相 反，它将通过测量光纤电缆的伸长率，来计算电缆所承受的 应变力。 在研究初期，该团队对光纤和光纤激光硬件的应用进行了大 量研究，同时也对处理光纤数据所需的特定软件进行了研 究。指导教师的咨询和建议也对该项目的推动起到了不可小 觑的作用。 该团队得出了以下结论：本项目所需的硬件为单模光纤电 缆，它将通过 LC 连接器连接至一个 10G 的激光收发器。为达 到所要求的数据传输速度，该收发器需要的是一款 SFP+ 小封 装可插拔收发器，通过以太网数据转换器来发送、接收和处 理数据。生成的伪随机码将被发送至整个光纤电缆。电缆会 将收到的代码与自己的基础原代码不断进行对比。电缆在承 受应变力后，会随着代码行进距离的增加而产生偏移。 总而言之，高精度的应变传感器可通过标准的单模光纤电缆 制成，而无需使用昂贵的光纤 Bragg 光栅电缆。通过电缆发送 的伪随机码将用来测量电缆所承受的应变力。程序可根据这 些长长的代码串测量与未产生应变力时最初收到的数据之间 的时间延迟。

2 正文 2.1 项目概况

北卡罗来纳大学夏洛特分校希望为使用光纤应变仪的仪器课 程额外设立一个实验室。该课程目前拥有一个丝式应变仪实 验室和一个光纤应变仪实验室。设置另一个实验室的目的是 展示光纤电缆的广泛应用，包括在应变领域的应用。 建议方案：设计并发明一个使用伪随机码测量应变力的光纤 应变仪。该方案之所以可行是因为它能用最简单、最经济的 方式设计出一种比传统丝式应变仪具有更高精度的光纤应

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Wire & Cable ASIA – May/July 2020