探究光纖光柵傳感技術(shù)在土木工程中應(yīng)用

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1、探究光纖光柵傳感技術(shù)在土木工程中應(yīng)用　　摘要:在光纖傳感領(lǐng)域,光纖光柵傳感技術(shù)是十多年來發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一,在土木工程中利用光纖光柵進(jìn)行應(yīng)變、溫度等測量已經(jīng)較為普遍這一現(xiàn)狀,文中首先介紹了光纖光柵傳感原理，討論了為滿足耐久性、安裝方便與溫度自動補(bǔ)償?shù)刃枨蠊饫w光柵傳感器的封裝技術(shù),最后回顧了光纖光柵傳感器在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀,提出了光纖光柵傳感技術(shù)以后應(yīng)該解決的問題。關(guān)鍵詞:光纖光柵;光纖傳感器;土木工程中圖分類號：TN818文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：前言光導(dǎo)纖維具有感測和傳輸雙重功能,具有柔韌易彎曲、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、耐高溫、耐

2、腐蝕、傳輸頻帶寬以及優(yōu)良的可埋入性等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵傳感器除了具有光纖傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外,還有一些明顯優(yōu)于其他光纖傳感器的地方。它是作為一種光譜分離與光波長選擇的器件,信號不受彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測器老化等因素的影響;避免了干涉型光纖傳感器相位測量模糊不清等問題。在一根光纖上串接多個(gè)光纖光柵,把光纖嵌入(或粘于)被測結(jié)構(gòu),可同時(shí)得到幾個(gè)測量目標(biāo)的信息,6并可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量。然而將光柵刻劃在光纖上得到光纖光柵則是最近10年才發(fā)展起來的新技術(shù),受到了世界各國研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。目前,光纖光柵傳感器已應(yīng)用在橋梁、大壩、大型建筑、

3、石化、電力、鋼鐵、核工業(yè)、飛機(jī)船舶制造、醫(yī)療等多種場合。1、光纖光柵傳感器基本原理FBG傳感技術(shù)源于Hill等人在1978年所發(fā)現(xiàn)的光纖光敏感特性。用一對強(qiáng)紫外光柱所產(chǎn)生的干涉條紋,對光敏光纖側(cè)面進(jìn)行照射,可以對光芯處的折射率進(jìn)行永久的周期性調(diào)制,從而制成一段折射率周期性變化的光柵。由于周期的折射率擾動僅對頻率很狹窄的小段光譜產(chǎn)生影響,當(dāng)光波在光柵中傳播時(shí),入射光將在這段被反射回來,其余頻率的光譜則被透射過去,這樣光纖光柵就起到了光波選擇的作用。能夠被反射回去的波長必須滿足如下條件:（1）式中是光柵反射的中心波長;n是光柵纖芯的有效折

4、射率;是光纖光芯折射率的調(diào)制周期。這個(gè)條件是首先由威廉布拉格爵士提出的,所有按照這種原理制造的光纖光柵又稱為布拉格光柵(FBG)。從式(1)可以看出,如果纖芯的有效折射率與調(diào)制周期發(fā)生變化,那么反射波長也將發(fā)生變化。事實(shí)上如果光柵受到應(yīng)力與溫度作用時(shí),纖芯的有效折射率與調(diào)制周期都將發(fā)生變化,因而我們可以通過測量反射波長的變化來感受應(yīng)變與溫度的變化?，F(xiàn)在,FBG傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,6人們已將其逐步應(yīng)用于多種物理量的測量,制成了各種傳感器。主要包括FBG應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器等。下面我們就常用的

5、應(yīng)變傳感器、溫度傳感器的測量原理進(jìn)行簡單介紹。反射光的中心波長隨著作用于光纖光柵的應(yīng)變和溫度變化成線性變化,同時(shí)考慮應(yīng)變與溫度變化時(shí),所引起的波長移動為:（2）式中: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)。ke為光纖光柵的應(yīng)變系數(shù),為光纖光柵溫度傳感的靈敏度系數(shù)。根據(jù)式(2),只要測出布拉格波長的變化,就可以得到外界的應(yīng)變或溫度擾動。并且由于布拉格反射光的光譜只占入射光光譜中很小的一部分,調(diào)整各光纖光柵傳感器的柵距,使它們具有不同的,且其布拉格光譜互不重疊,就可以將若干個(gè)FBG傳感器串聯(lián)起來,實(shí)現(xiàn)對待測結(jié)構(gòu)定點(diǎn)的準(zhǔn)分

6、布式的測量。2、光纖光柵傳感器封裝技術(shù)由于裸的光纖光柵直徑比較纖細(xì),在惡劣的工程環(huán)境中容易損傷,因而需要對其進(jìn)行封裝后,傳感器才能交付使用。另外通過選用不同的封裝材料,可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、應(yīng)力和溫度的增敏等功能。封裝技術(shù)是光纖光柵傳感器工程成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。6目前常用的封裝方式主要有粘貼式、管(片)式、嵌入(植入)式封裝。(1)粘貼式封裝。裸光柵作為應(yīng)變傳感器直接粘貼在待測結(jié)構(gòu)的表面,并用膠黏劑進(jìn)行涂抹,是一種簡便、價(jià)格低廉的封裝方法。利用刻槽加蓋片保護(hù),可以提高成活率。(2)管(片)式封裝。管(片)式封裝是將裸的光纖光柵置于金屬

7、管、片等媒介器件內(nèi)(上),封裝成獨(dú)立的傳感元件。管(片)式封裝包括金屬管式封裝,基片式封裝等,是目前比較常用的光纖光柵封裝方法。如圖1所示,管式封裝應(yīng)變傳感器主要由封裝管、FBG、傳輸光纜、尾纖、膠粘劑組成。FBG毛細(xì)管封裝的核心工作是封裝工藝,封裝時(shí)必須保證FBG準(zhǔn)確平直的在毛細(xì)管的正中間。哈爾濱工業(yè)大學(xué)周智等人開發(fā)了無增敏型的單層金屬管封裝的FBG溫度傳感器和增敏型雙層金屬套管的FBG溫度傳感器。大連理工大學(xué)李宏男也開發(fā)了金屬管封裝的FBG應(yīng)變傳感器和溫度傳感器。圖1管式封裝的應(yīng)變傳感器基片式封裝有金屬基片封裝和樹脂片封裝,封裝結(jié)

8、構(gòu)主要由金屬薄片(或樹脂薄片)、膠粘劑、護(hù)套、尾纖、傳輸光纜組成。該封裝結(jié)構(gòu)的基本思想是將FBG封裝在刻有小槽的基片上,通過基片將被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳到FBG上。6夾持式封裝技術(shù)的主要思想是在鋼管封裝的FBG傳感器的兩端安裝