光纤光栅应变传感器(光纤光栅应变测量系统组成)

摘 要：通过在桥梁、建筑等重大工程结构的具体实施应用中，对光纤光栅工程结构应变长期监测系统的设计方法、基本构成、传感网络的优化、系统的温度补偿、现场传感器的布设、保护工艺等诸多重要问题进行了分析和研究，并加以解决。应用此系统对大型重量级工作制钢吊车梁的加固进行了监测，通过与理论的对比表明采用光纤光栅应变传感网络对大型构件实现应变检测是可行的。
关键词：光纤光栅;应变;工程结构;监测 [b][align=center]Design of Monitoring System Based on Fiber Bragg Grating Strain Sensor Cao Hai-yan, Tian Yue-xin[/align][/b]
Abstract：In the process of the application of the sensors in bridges, architectures and other critical engineering structures, systematic analysis is made on the key problems, such as the devise of FBG long-term strain monitoring system, basic structure, optimization of sensing network, temperature compensation of the system, layout of sensor and protecting crafts. The system designed is applied to monitor the strengthening of the large crane beam. It is feasible to monitor the large structure with the scheme of FBG strain sensor by contrast to the theory.
Key words: Fiber Bragg Grating; strain; engineering structures; monitoring
1 引言 　　光纤传感技术是继电测技术之后传感技术发展的新阶段。相对于机电类传感器，光纤传感器具有很多优势，如：体积小、重量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、灵活方便等。以光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）为主的光纤光栅传感器，除了具有普通光纤传感器的优势之外，还有一些特别的优势，最主要的是传感信号为波长调制以及复用能力强。其好处在于：测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响;避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题;在一根光纤上串接多个布拉格光栅，把光纤嵌入（或粘于）被测结构，可同时得到几个测量目标的信息，并可实现准分布式测量。广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数以及对结构变形、裂缝、整体性等结构参数的实时在线监测[1,2]。 　　应变是材料与结构的重要物理特征参量。结构监测的前提是从结构中提取能反映结构特征的参数，最能反映局部结构特征、便于结构安全评价与损伤定位的是应变信号，所以说应变是重要工程结构健康监测最为重要的参数之一。通过国内外同行的大量研究和实践，已将应变测量锁定在光纤光栅传感技术上[3,4]。 　　本文的主要工作是给出了光纤光栅应变传感监测系统的基本构成和实施方案，并对工程应用中的关键问题进行了论述，提出了解决方案，并将其成功地应用于重大工程结构的长期监测中。
2 光纤光栅应变传感监测系统的设计 [align=center]
图1 光纤光栅分布传感监测系统的基本构成[/align] 　　图1是光纤光栅应变传感监测系统的基本构成图。系统中宽带光源输出光输入到环行器端口1，由端口2输出到1×8光开关，光开关的每一路由几个不同中心波长的光栅串接构成传感阵列。通过不同光纤光栅的反射光波长 …… ，与被测对象上各测量点相对应，分别感受各分布测点的应力应变，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出，输入到环行器端口2，再由端口3输出。通过光纤光栅解调系统探测其波长改变量的大小，并由光电探测器转换成电信号后输出，最后由计算机系统对被测对象的状态进行分析和评估。 　　根据图1的光纤光栅分布应变监测系统的基本构成，把整个系统的实施方案分为以下几个步骤： 　　1）确定结构的应变分布：依据具体结构和工程应用情况，确定测量点位置和测量分布方式，粗略估计各测点应变范围，推算出整个结构的应变分布概况。 　　2）确定各测点处光纤光栅的中心波长：根据估计的各测点应变分布状态，特别是各测点应变的最大值，将各测点的位置与对应处的光纤光栅的波长相对应。在采用分布传感方式时，保证各测点的各点的波长分布具有一定的间隔，间隔的大小取决于各测点应变的最大值和应变属性（拉应变还是压应变），避免串在一起的光栅在工作过程中波长发生重叠。 　　3）确定传感器的结构和安装方式：根据监测的要求和工程实际情况，选择传感器的结构形式（贴片式、埋入式等）和安装方式（粘贴还是焊接等），确定埋设和保护工艺。 　　4）确定光纤光栅解调系统：依据对应测点最大应变变化值的光纤光栅波长的变化值 …… ，和各点的波长分布间隔大小（ ），计算出所有测点的波长变化值和间隔值的总和，然后乘以相应的波长余额系数1.2～1.8，确定所需光纤光栅解调器的波长解调范围，并结合所需的测量精度，选定相应的光纤光栅解调器和配套解调和数据分析软件。 　　5）确定光纤光栅传感器灵敏度系数K：依据所选定的光纤光栅传感器的结构形式和安装方式，选定灵敏度系数K值，并在解调软件中进行设置，测量结果直接显示应变值。 　　6）结构整体状态的分析和评估：依据结构上各测点的实测应变值，进行特定的程序运算，确定结构整体的应变分布状态，并对极限状态进行报警。
3 在工程应用中的关键问题 　　3.1 光纤光栅应变传感器的埋设和保护 　　传感器的埋设工艺必须达到两个目的：一是保证结构的应变完全传递到传感器，由传感器表征出来;二是保证传感器的使用寿命满足重大工程结构长期监测的目的[5]。与其它领域相比（如机械），大型工程结构（例如土木工程）的施工、服役环境恶劣，因此传感器的埋设工艺是传感技术工程化的关键。 　　（1）粘贴式光栅应变传感器 　　这种传感器的安装工艺分为：粘贴剂的选择-打磨-清洗-粘贴-传感器保护-光缆的敷设等步骤，其中粘贴剂的选择是该类传感器在安装中需要首先考虑的一点，粘贴剂的性能必须满足以下几点：能形成薄的、无间隙的、具有高剪切强度的胶层;具有从低温到高温的宽工作范围;良好的线性、小输变和滞后;具有高延伸率。 　　为了保证钢片能牢固地粘贴在钢筋上，必须用砂轮机在钢筋打磨出一个面积适中的平面，越光滑越好，用酒精清洗后，均匀地涂上一层环氧树脂胶，然后将传感器粘贴其上，应确保光栅轴向与钢筋轴向一致。用两块磁铁轻压在传感器的上表面，让环氧树脂胶自然固化。固化后，在传感器四周的缝隙处再补胶一次。最后在外边缠几层纱布将传感器保护起来。至此，传感器的安装和保护工作基本做完。接着就是铺设和保护光缆，需要注意三点： 　　a.当沿着钢筋捆扎光缆时，光缆要松弛一些，且放在钢筋的下侧，保证光缆不受混凝土浇注、振倒和压模等过程的直接冲击; 　　b.不要让光缆对折弯曲，以免光强损耗过大; 　　c.在光缆从构件中出来的一段，要用有一定强度的塑料管将光缆套入其中，以免在浇注时被拉断。 　　（2）埋入式光栅应变传感器 　　这类传感器安装比较方便，一般采用扎丝将其捆绑在结构内的钢筋上，使其与混凝土的受力方向保持一致，在传感部位用纱布完全包裹，其目的是保证传感器只受轴向应力作用，避免剪切。光缆的保护同上。 　　3.2 温度补偿 　　在光纤光栅的应变监测系统中需要进行温度补偿。补偿的方法有多种，如采用一种特殊的偏振型传感光纤，通过在椭圆纤芯周围调节应力来消除应力引起的双折射，来达到减弱对温度不敏感的目的，但这种方法适合于低应变条件下使用。也可以通过适当设计光纤光栅的支撑材料使之热膨胀系数不同，借以降低或消除温度灵敏性。在工程实际应用中，多采用线性补偿的办法。这种方法的依据是：在0℃～100℃和0～1%应变的测量范围内，忽略应变-温度交叉灵敏度影响，对测量结果的影响很小，把应变和温度对光栅波长的作用当作是独立地线性叠加。根据上述原理，在温度变化明显区域如锚固端或在锚索根部、中部、端部，桥的阴面和阳面，桥面或桥底等部位分别布置两个近位置光栅，其一为测量光栅，同时受温度和应变影响;另一个为温度补偿光栅，只受温度影响。注意，两光栅的支撑材料要一致，且应处于同一温度场中。因此，温度变化引起的两光栅波长变化应相同，在测量光栅的波长漂移中，扣除温度变化引起的波长漂移，即得应变单独作用引起的波长漂移，从而达到了温度补偿的目的。 　　3.3 分布传感与网络化 　　光纤光栅传感技术最大的优点之一就是能够进行分布式测量。采用波分复用技术，可在一根光纤上串接多个中心波长不同的光纤光栅传感器，将波长值和测点位置对应起来，就可以实现分布式测量。目前在实验室中最多可以串接20个左右，但在工程应用中，必须考虑到解调器的解调范围、波长分辨带宽以及待测参量的变化范围。因此，进行网络设计前，必须掌握被测对象的应变范围，对光纤光栅的波长进行合理选择，对串接的光栅的波长间隔进行设计，并留有一定余量，不能一味追求串接的数量。
4 测试分析 　　本次测试对象是大型重量级工作制钢吊车梁。 　　4.1 测点布置 　　测试对象为采用焊接加固的跨度28米的吊车梁圆弧端。吊车梁圆弧端两侧加固板上对称布置两处测点，吊车梁圆弧端R板一侧布置一处测点。每处测点都由光纤光栅组成应变花的形式，即每处均有光纤光栅三点，此外还设置一个光纤光栅作为温度补偿点，共计十点。由九个光纤光栅组成应变花形式以测试三个测点的平面应力，由一个光纤光栅作为温度补偿测点，由于三个应力测点位置比较靠近，温度变化均应与温度测点处相近。 　　4.2 测试方案 　　测试采用440/80t吊车加载，吊车的小车吊起已知重量Q的重物并尽量靠近测试一端，当停在指定位置L后读数，测试情况如图2所示。 [align=center]
图2 测试吊车的位置[/align] 　　实际测试时吊重Q为141.57t，工况有四个，测试用吊车的位置L有所不同，具体如表1所示。结合前续项目吊车轮压的测试结果，根据吊重Q可计算出此时的吊车轮压P，然后根据吊车位置L就可以计算出每个工况条件下测试部位吊车梁的支座反力R，以计算加固后吊车梁圆弧端处测点在测试工况条件下的理论应力值。 　　表1 测试数据

　　4.3 测试结果与分析 　　为了与实测结果进行对比，采用三维块体有限元单元模拟焊接加固设计方案的圆弧端端头应用ALGOREAS有限元进行分析计算，计算中材料的弹性模量E、泊松比、计算模型的尺寸与加固设计尺寸相同。圆弧端处测点的最大主应力有限元计算结果与实测的结果对比如表2所示。 　　表2 应力计算与实测结果对比

　　从表2可以看出，加固板上跨内侧与跨外侧测点的结果不同，说明加固板受到外弯曲作用，但两侧实测结果平均值与有限元计算结果较为吻合，能够反映圆弧端加固板的实际应力分布和变化情况。 　　测试数据表明：吊车轨道与吊车梁中心线之间有偏差，引起吊车端的附加应力。本次测试的差异主要来源于测点位置的偏差（两端焊缝形式，测点离开焊缝的距离）与计算模型的差异（吊车梁实际工作状态与理想模型之间的差异）等。同样，R板上测点实测值与有限元计算结果有较大偏差，这主要是由于仅测试一侧，实际受到平面外作用、测点偏差等影响造成的。上述对比分析说明光纤传感测试技术应用于圆弧端监测数据分析是可行的。
5 结论 　　该吊车梁的工作环境受电磁冲击干扰大，所受载荷大且吊车工作频繁;由于吊车梁的工作应力水平较大，在梁圆弧端产生了斜向疲劳裂缝，为此采用了双向焊接圆弧钢板加固方法进行了加固。为了检测加固效果，曾进行过应变片的测试，其测试信号受到较大干扰，稳定性差。再次进行应变测试采用了光纤光栅传感技术。与应变片测量相比，光纤光栅应变测量分辨率和灵敏度都比较高，特别适合于检测结构非常微小的应变，是一种先进的检测技术。光纤光栅应变测量为波长调制、数字传输，其抗环境干扰强、长期稳定性好，在结构的长期健康监测和安全评估方面具有极大的应用前景，具有重大的社会和经济效益。
本文作者创新点： 　　1、对光纤光栅工程结构应变长期监测系统给出了创新性构建方案和实施方案。 　　2、对工程应用中的关键问题，例如传感网络的优化、系统的温度补偿、现场传感器的布设、保护工艺等进行了全面地分析和研究，并给出了解决方案。
参考文献： 　　[1] 刘建平等.光纤Bragg光栅传感网络实时监测与应变分析[J].微计算机信息,2006,4-1:186-188。 　　[2] 詹亚歌等.光纤光栅传感器的应用[J].物理,2004,33（1）:58-61。 　　[3] 黄尚廉等.光纤应变传感器及其在结构健康监测中的应用[J].测控技术,2004,23（5）:1-5。 　　[4] 杨要恩等. FP光纤传感器的温度与应变传感特性研究[J].传感器技术,2005,24（4）:24-26。 　　[5] 郑魏等.光纤光栅传感器在水布垭面板坝安全监测中的应用[J].微计算机信息,2006,4-1:206-207。