光纖光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn)

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1、光纖光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn)橋梁結(jié)構(gòu)長期在線健康監(jiān)測(cè)需要測(cè)試多種參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，橋梁結(jié)構(gòu)的裂紋乃至破壞的主要表象就是應(yīng)力過大、變形過大。應(yīng)力測(cè)試在橋梁結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測(cè)中至關(guān)重要，就橋梁應(yīng)力測(cè)試而言：①傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片傳感元件的性能也在不斷的提高，作為鋼結(jié)構(gòu)的短期應(yīng)變測(cè)量，還是能滿足工程要求的；但其受環(huán)境影響較大，由于溫漂和零漂的影響，長期應(yīng)變測(cè)試的結(jié)果會(huì)嚴(yán)重失真。②在混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測(cè)試中，短期觀測(cè)可使用電阻應(yīng)變片式的應(yīng)變磚，而工程中更多地使用振弦式應(yīng)變傳感器。后者輸出信息為頻率特征，不受導(dǎo)線長度的影響，靈敏度和穩(wěn)定性也較好。由于鋼弦蠕變的原因，國產(chǎn)

2、鋼弦式應(yīng)變傳感器的正常使用期為3年左右。③由于機(jī)電類傳感器的長期穩(wěn)定性不好，橋梁結(jié)構(gòu)的長期應(yīng)變測(cè)試，通過國內(nèi)外同行的大量實(shí)踐，已將應(yīng)變傳感器鎖定在光纖傳感器上。光纖傳感器的種類較多，它能以高分辨率測(cè)量許多物理參數(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)電類傳感器相比具有很多優(yōu)勢(shì)：如體積小、重量輕、靈活方便、本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫和無接地要求等，因此其應(yīng)用范圍非常廣泛。早期的光纖傳感器絕大部分是“光強(qiáng)型”和“干涉型”的。前者的信息讀取是測(cè)量光強(qiáng)大小，因此光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和測(cè)量器件老化等因素會(huì)影響測(cè)量精度。后者的信息讀取是觀察干涉條紋的變化，它要求干涉條紋清晰；

3、而清晰的干涉條紋來源于兩路干涉光的光強(qiáng)相等，這使得光纖光路的靈活和連接的方便等優(yōu)點(diǎn)大打折扣。同時(shí)由于它是一個(gè)過程傳感器，并非狀態(tài)傳感器，要求有一個(gè)固定的參考點(diǎn)，也給工程應(yīng)用帶來了難度。因此這兩類傳感器在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于安裝要求高、環(huán)境影響大而受到很大的限制。目前，應(yīng)變測(cè)試的主導(dǎo)產(chǎn)品是光纖布喇格光柵(FBG)傳感器，它不僅具有普通光纖傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)，還有一些明顯優(yōu)于普通光纖傳感器的地方：其中最重要的就是它的傳感信號(hào)為波長調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處在于：①測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和測(cè)量儀器老化等因素影響；②避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量

4、的不清晰和對(duì)固定參考點(diǎn)的需要，能實(shí)現(xiàn)長期絕對(duì)測(cè)量；③能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)布喇格光柵，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度等進(jìn)行高分辨率和大范圍的分布式測(cè)量。當(dāng)前，光纖光柵傳感器被普遍認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“光纖靈巧結(jié)構(gòu)”、“光纖機(jī)敏材料”的理想器件。其在航空航天器、石油化學(xué)工業(yè)設(shè)備、電力設(shè)備、船舶結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、醫(yī)療器具、核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)等都有廣泛的應(yīng)用。附圖1.FBG傳感原理附圖2FBG分布傳感系統(tǒng)的原理圖FBG傳感技術(shù)是通過對(duì)在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射布喇格波長光譜的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對(duì)測(cè)量，其傳感原理如附圖1所示。而FBG的反射或

5、透射波長光譜主要取決于光柵周期L和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵布喇格波長的漂移即有：DlB=2neff·DL（1）在所有引起光柵布喇格波長漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量，因?yàn)闊o論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢(shì)必導(dǎo)致光柵周期L的變化，并且光纖本身所具有彈光效應(yīng)使得有效折射率neff也隨外界應(yīng)變狀態(tài)的變化而變化，這為采用光纖布喇格光柵制成光纖應(yīng)變傳感器提供了最基本的物理特性。應(yīng)力應(yīng)變引起光柵布喇格波長漂移可以由下式給予描述：（2）式中為光纖的彈光系數(shù)；為應(yīng)變?chǔ)乓鸬牟ㄩL變化的靈敏度系數(shù)，由于溫度變化而引起的B

6、ragg波長變化量:（3）為溫度T引起的波長變化的靈敏度系數(shù)，為FBG的熱膨脹系數(shù)，為FBG的熱光系數(shù)。由式（2）可知，基于此原理的FBG應(yīng)變傳感器是以光的波長為最小計(jì)量單位的，而目前對(duì)FBG波長移動(dòng)的探測(cè)達(dá)到了pm量級(jí)的高分辨率。因而其具有測(cè)量靈敏度高的特點(diǎn)，而且只需要探測(cè)到光纖中光柵波長分布圖中波峰的準(zhǔn)確位置，與光強(qiáng)無關(guān)，對(duì)光強(qiáng)的波動(dòng)不敏感，比一般的光纖傳感器具有更高的抗干擾能力。由于拉、壓應(yīng)力都能對(duì)其產(chǎn)生Bragg波長的變化，因此該傳感器在結(jié)構(gòu)檢測(cè)中具有優(yōu)異的變形匹配特性，其動(dòng)態(tài)范圍大（達(dá)10000×10-6ε）和線性度好。另一方面，在應(yīng)變測(cè)量中，為了克

7、服溫度對(duì)測(cè)量的影響，由公式（3）可以看出，在測(cè)量系統(tǒng)可采用同種溫度環(huán)境下的FBG溫度補(bǔ)償傳感器進(jìn)行克服。附圖2是FBG分布傳感系統(tǒng)的原理圖。準(zhǔn)分布的多個(gè)FBG,通過不同F(xiàn)BG的反射光波長（λ1,…..λn），與待測(cè)結(jié)構(gòu)沿程各測(cè)量點(diǎn)（1,……n）相對(duì)應(yīng)，分別感受待測(cè)結(jié)構(gòu)沿線分布各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變，使其反射光的波長發(fā)生改變，改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)傳出；通過FBG解調(diào)器探測(cè)其波長改變量的大小，并將之轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由二次儀表計(jì)算出待測(cè)結(jié)構(gòu)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變的大小及在整個(gè)待測(cè)結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)。在光纖光柵應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中，光纖光柵傳感器獲取的穩(wěn)定、高精度的應(yīng)變信號(hào)，通

8、過光纜遠(yuǎn)程傳輸送入調(diào)制調(diào)解器，然后直接