光纖光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn)

1、光纖光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中至關(guān)重要，就橋梁應(yīng)力測(cè)試而言：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(zhǎng)期應(yīng)變測(cè)試的結(jié)果會(huì)嚴(yán)重失真。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(zhǎng)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(guó)產(chǎn)鋼弦式應(yīng)變傳感器的正常使用期為3年左右

2、。由于機(jī)電類傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性不好，橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期應(yīng)變測(cè)試，通過國(guó)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；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

3、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(zhǎng)調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處在于：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?jī)x器老化等因素影響；避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量的不清晰和對(duì)固定參考點(diǎn)的需要，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期絕對(duì)測(cè)量；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)

4、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2 FBG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(zhǎng)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的反射或透射波長(zhǎng)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(zhǎng)的漂移即有：DlB

5、=2neff DL （1）在所有引起光柵布喇格波長(zhǎng)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(zhǎng)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)變引起的波長(zhǎng)變化的靈敏度系數(shù)，由于溫度變化而引起的Bragg波長(zhǎng)變化量: （3）為溫度T引起的波長(zhǎng)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(zhǎng)為最小計(jì)量

6、單位的，而目前對(duì)FBG波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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)1000010-6）和線性度好。另一方面，在應(yīng)變測(cè)量中，為了克服溫度對(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(zhǎng)（1,.n）， 與待

7、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(zhǎng)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(zhǎng)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)，通過光纜遠(yuǎn)程傳輸送入調(diào)制調(diào)解器，然后直接輸入計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)，利用橋梁結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估的專家系統(tǒng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況作出評(píng)價(jià)：安全（正常）和不安全（預(yù)警）（見附圖3），同時(shí)將評(píng)估報(bào)告或橋梁的健康狀況信息通過互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)傳輸至橋梁管理部門，從而可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測(cè)的信息化管理。特別是從光纖傳感器到解調(diào)儀之間的距離可達(dá)5km以上，橋梁現(xiàn)場(chǎng)到解調(diào)儀之間僅需一根光纜連接，能實(shí)現(xiàn)橋梁的分布測(cè)量和集中監(jiān)測(cè)處理。圖中的解調(diào)器及后續(xù)的設(shè)備置于集中監(jiān)控室，避免了儀器在現(xiàn)場(chǎng)難于保護(hù)的缺點(diǎn)，便于保養(yǎng)和維修，從而提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性。附圖3、使用光纖光柵的在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖因此，基于光纖光柵傳感測(cè)試系統(tǒng)能建立起完善的橋梁在線健康監(jiān)測(cè)系