（仪器科学与技术专业论文）光纤珐珀应变测量系统周期性误差研究.pdf

中文摘要 摘要 光纤珐珀应变传感器是一种结构简单、测量精度高、稳定性好的光纤传感器， 经过2 0 多年的发展，已经取代传统应变传感器广泛应用在结构健康监测中。从原 理上看，光纤珐珀应变传感器应该具有非常高的应变测量精度和很好的线性。但 是，实际使用中我们研制的光纤珐珀应变测量系统还存在一定的误差；特别是对 光纤珐珀传感器连续均匀加载进行测量时，测量值还会出现振幅为几个到十几个 微应变的有规律的周期性跳动。这一问题一直没有得到解决，它不但限制了我们 的光纤珐珀应变测量系统在连续刚构桥梁等应变比较小的结构应变监测中的应 用，更大大的降低光纤珐珀应变测量系统的可信度。本课题的研究就是针对这一 问题着手，对光纤珐珀应变测量系统的精度进行研究。 本文首先阐述了光纤珐珀应变测量的基本原理、光纤珐珀传感器的分类以及 常用的几种解调方法；对现有光纤珐珀应变测量系统的结构特点及d g t 解调算法 进行了详细分析；通过分析提出了传感器珐珀腔内存在的高阶模式及光谱仪暗噪 声是导致测量系统产生误差的可能原因。 针对高阶模式问题，首先利用导波光学理论，讨论了珐珀腔中存在的模式数 量及模式能量分布；然后，通过对光纤输出光场的基模高斯光束和一阶厄密高斯 光束近似，计算出各模式在珐珀腔中传输时的光程差及其对测量精度的影响。理 论分析表明，模式问题不是引起连续加载实验中周期性误差的原因，但却是光纤 应变测量系统随机误差的一个重要因素，它决定了系统测量精度的理论极限。 从理论上研究了背景光谱引起的误差，证明了背景光谱的存在是光纤珐珀应 变测量系统产生周期性跳动误差的主要原因，通过小波去噪和“去背景法”改进了测 量系统的d g t 解调算法，并通过一系列实验验证了改进算法的有效性。 改进后的光纤珐珀应变测量系统在重庆石板坡长江大桥工程中得到应用，取 得了很好的效果。 关键词：光纤珐珀应变传感器，误差，模式，高斯光束，光谱噪声 英文摘要 a b s t r a c t a f t e rt w od e c a d e so fd e v e l o p m e n t ，e x t r i n s i cf i b e l f a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ( e f p i ) s t r a i ns e f l s o rw a sd e m o n s t r a t e dt ob et h eb e s tc a n d i d a t ef o rl o n gt i m eh e a l t h m o n i t o r i n go nb r i d g e sd u et oi t ss i m p l i c i t y , s t a b i l i t ya n da c c u r a c y , e t c t h e o r e t i c a l l y , t h ee f p is t r a i ns e n s o rh a sag o o dl i n e a r i t ya n dv e r yh i g l la c c u r a c y , b u tt h e r ea r es t i l l s o m ee i t o r si nap r a c t i c a le f p is t r a i ns e n s i n gs y s t e m 。e s p e c i a l l y , w h e nt h es e n s o rw a s c o n t i n u o u s l yl o a d e d ，t h eo u t p u to ft h es e n s i n gs y s t e ms h o w e dap e r i o d i c a lf l u c t u a t i o n e n o r ，a n dt h ea m p l i t u d eo ft h i sf l u c t u a t i o ne r r o ri si nt h er a n g eo fs e v e r a lm i c r o s t r a i n ( 雌) t h i sp r o b l e mh a sn o tb e e ns o l v e dy e t i tr e d u c e dt h er e l i a b i l i t yo fo u re f p is t r a i n s e n s i n gs y s t e m ；f u r t h e r m o r e ，i tb e c a m ea no b s t a c l ew h i c hr e s t r i c t e dt h eu s ea n ds p r e a d o ft h ee f p is t r a i ns e n s i n gs y s t e mi nh e a l t hm o n i t o r i n gf o rc o n c r e t eb r i d g e s t h i s r e s e a r c hw o r ki sm a i n l yf o c u s e do nt h ep e r i o d i c a lf l u c t u a t i o ne l i o ri nt h ee f p is t r a i n s e n s i n gs y s t e m f i r s t l y , t h ep r i n c i p l ea n dd e m o d u l a t i o nm e t h o do fe f p is t r a i ns e n s o rw e r eb r i e f l y i n t r o d u c e d t h e n , ap r a c t i c a le f p is t r a i ns e n s i n gw a sa n a l y z e di nd e t a i la n dt h ed i s c r e t e g a pt r a n s f o r m ( d g t ) d e m o d u l a t i o nm e t h o dw a sc a r e f u l l ys t u d i e d t w op o s s i b l er e a s o n s o fa b o v e m e n t i o n e dp e r i o d i c a le l r o r ，t h ed i s t u r b a n c eo fh i g ho r d e rp r o p a g a t i o nm o d e s a n dt h ei n f l u e n c e o f s p e c t r a lb a c k g r o u n dn o i s e ，w e r ep u tf o r w a r d s e c o n d l y , t h en u m b e ro fp r o p a g a t i o nm o d e sa n dt h e i rp o w e rd i s t r i b u t i o nw e r e c a l c u l a t e d i nt h ee f p ic a v i t y , t h el p o zm o d ea n dl p 1 1m o d ec a nb ea p p r o x i m a t e dt o f u n d a m e n t a l ( z e r oo r d e r ) g a u s sb e a ma n df i r s to r d e rh e r m i t e - g a u s sb e a mr e s p e c t i v e l y a f t e rp a s s i n gt h r o u g ht h ec a v i t y , t h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mc a nb ec a l c u l a t e d b a s e do nt h eg a u s sa p p r o x i m a t i o n 1 1 1 et h e o r e t i c a la n a l y z e dr e s u l t ss h o w st h a tt h e m o d ei s s u e i sn o tt h er e a s o no fa b o v e - m e n t i o n e dp e r i o d i c a le r r o rb u ta ni m p o r t a n t r e a s o no ft h er a n d o me w l o ro ft h es e n s i n gs y s t e m i t so n eo ft h et h e o r e t i c a ll i m i t a t i o n s o f t h ea c c u r a c yo f o u re f p is t r a i ns e n s i n gs y s t e m t h i r d l y , t h ei n f l u e n c eo fs p e c t r a lb a c k g r o u n dn o i s ew a ss t u d i e d b o t ht h e o r e t i c a l l y a n a l y z e da n dc o m p u t e rs t i m u l a t e dr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h es p e c t r u mn o i s ei st h e m a i nr e a s o no fp e r i o d i c a lf l u c t u a t i o ne w r o r a ni m p r o v e dd g ta l g o r i t h mw i t l lw a v e l e t d e n o i s i n ga n dab a c k g r o u n ds u b t r a c t i o nw a sd e v e l o p e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h ev a l i d i t yo f t h ei m p r o v e da l g o r i t h m f i n a l l y , a ni m p l e m e n t a t i o ne x a m p l eo f t h ei m p r o v e de f p is t r a i ns e n s i n gs y s t ew a s i i i 重送盔堂堡圭堂笪堡茎 一 g i v e n a sas u b s y s t e mo fs h i b a n p oy a n g t z er i v e rb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m ， t h es t r a i ns e n s i n gs y s t e mw i t h1 0 8e f p is t r a i ns e n s o r ss h o w e dav e r yg o o ds t a b i l i t ya n d r e l i a b d i t yd u r i n gt h ep a s s e de i g h tm o n t h s ，a n ds o m e u s e f u ld a t aw e r ec o l l e c t e dt h r o u g h i t k e y w o r d s ：t h ee f p is t r a i ns e n s o r , e r r o r , p r o p a g a t i o nm o d e , g a u s sb e a m ，s p e c t r a l b a c k g r o u n dn o i s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：寸牟 一d 7 砌伯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：甘坷五 签字日期：如7 年彳月厂日 导师签名： 纬函3 签字日期：籼7 年月re t 1 绪论 1 绪论 1 1 结构应变监测的重要性 应变是表征工程结构安全状态的重要指标。过大的应变会导致结构产生裂纹 与损伤，进一步发展会产生断裂甚至结构破坏，造成人民生命财产严重损失。因 此，对工程结构的应变进行长期监测，对保障工程结构的安全具有重要意义眦】。 传统应变传感器主要有电阻应变片及钢弦应变计。电阻应变片因其结构简单、 价格便宜在结构实验中获得广泛应用，但由于其寿命、温漂和时漂问题难以解决， 因此很难应用于长期应变监测。钢弦应变计虽然可以应用于长期应变监测，但其 抗电磁干扰能力弱，长期稳定性不太好。 光纤应变传感器具有结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐 潮、电绝缘性好、长期稳定性好等优点，克服了传统应变传感器存在的不足，在 结构应变监测中得到了广泛运用。 1 2 光纤应变传感器 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光通讯技术的发展而逐步形成的。这是上 世纪7 0 年代末发展起来的一门崭新的技术【3 】。光纤传感器与传统的各类传感器相 比有一系列独特的优点，因此它一出现，就受到世界各国相关学术界和研究机构 的高度重视，在一些工业发达国家，如美国、英国、日本、加拿大、德国等，均 投入相当多的人力、物力、先后制定发展规划，许多高等学校、科研机构及企业 单位均在这方面开展了深入的研究工作。 际光纤传感器会议，以后又分别在德国、 交流会议。 1 9 8 3 年4 月在英国伦敦召开了第一届国 美国和日本召开了国际光纤传感器学术 光纤传感器是通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度( 振 幅1 、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的光信号进行检测， 从而得出被测量的一种新型传感器。光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能 型传感器；另一类是非功能型传感器，前者是利用光纤本身的特性把光纤作为敏 感元件，所以又叫传感型光纤传感器，或叫做全光纤传感器；后者是利用其它敏 感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近 场所的光信号，因此，也称作传光型传感器或混合型传感器。根据对光进行调制 的手段不同，光纤传感器又有强度( 振幅) 调制、相位调制、频率调制、偏振调制、 波长调制等不同工作原理的光纤传感器。 迄今为止，已发明了数十种光纤应变传感器，在结构健康监测的光纤应变传 重庆大学硕十学位论文 感器丌发与应用中，光纤珐珀( f p ) 传感器、光纤光栅传感器、准相干光光纤干涉传 感器、喇曼散射式分布式光纤传感器是最为普遍的几种光纤应变传感器。 1 2 1 光纤珐珀传感器 光纤珐珀( f e b r y - p e r o t ) 应变传感器是在光纤中人为制造出两个反射面，构成一 个反射腔。当光束通过光纤入射到腔内时，会在两个端面分别反射，两束反射光 束相遇产生干涉，此干涉信号携带了珐珀腔腔长信息，解调该信号即可获得腔长【4 】。 当此光纤珐珀传感器埋于混凝土结构内部时，结构的内部应变将使得光纤珐珀传 感器的腔长同步变化，从而改变输出光强及波形波峰的位置，测得腔长的变化， 即可算出对应混凝土结构的应变。光纤珐珀应变传感器是以光束的波长为最小计 量单位，因而具有测量灵敏度高的特点。更为重要的是，光波长与电源的波动、 电路的漂移、光路的变化等环境影响无关，因而不存在传统应变传感器的温漂、 零漂等问题，而且成本比较低。光纤珐珀应变传感器的珐珀腔是完全密封的，因 此防水、耐腐蚀、长期稳定性好，可以在混凝土结构的高湿度、高碱性的恶劣环 境中保持长期稳定性。光纤与水泥皆同为硅酸盐材料，其刚度亦十分接近，具有其 它传感器无法比拟的刚度匹配特性。 1 2 2 光纤光栅传感器 光纤光栅传感器是利用掺杂光纤天然的紫外光敏特性，将呈空间周期性分布 的强紫外激光照射掺杂光纤，从而使掺杂光纤的纤芯形成折射率沿轴向周期性的 分布，得到一种芯内位相光栅，即光纤光栅，亦称为光纤布喇格光栅( 英文缩写为 f b g s 1 ) 。根据布喇格衍射原理，当多种波长的光束由光纤入射到f b g 上时，只有 某一个波长的光被f b g 反射，使其沿原路返回，其余所有波长的光都无损失地穿 过f b g 继续往前传输。被f b g 反射的那一个波长称为布喇格波长厶，它由f b g 的栅距a 及有效折射率万决定： 2 2 万a ( 1 1 ) 当桥梁应变使f b g 的栅距a 或有效折射率万产生变化时，被f b g 反射的布喇格波 长如亦产生相应变化。如果将f b g 埋入混凝土结构中时，结构的应变和温度变化 都会引起f b g 的布喇格波长变化，因此可以通过监测f b g 的反射波长、实现结构 的应变与温度监测【6 。1 ”。 光纤光栅传感器的优点及系统构成与光纤珐珀传感器类似。光纤光栅的优势 在于：当将多个不同波长的f b g 串联在同一光纤上时 1 2 d 7 】，各个f b g 只反射它自 己的布喇格波长，彼此之间互不干涉，因此可以方便地用一个波长检测系统同时 检测所有f b g 反射的布喇格波长的变化，从而完成光纤光栅传感器的多传感复用， 实现结构应变参量的准分布测量。 2 1 绪论 1 2 3 准相干光干涉型光纤传感器 标准的光纤干涉传感器是将一束相干光分为两束，分别在与被测对象隔绝的 参考光纤及受被测对象影响的传感光纤内传播。当两光纤合并为一根后，其内部 传输的两束光将相遇并产生干涉( 图1 1 ) 。 参考光纤一i = 厂 一z 。 群j 一l ， ：塑竺l ：二j 八八厂、八：9 功 外 蚕 图1 1 准相干光干涉型光纤传感器原理图 f i g1 t 1e x p e r i m e n ts e t - u po f p s e u - c o h e r e n ti n t e r f e r o m e t e r 如果光纤内传播的光波长为a ，两光纤的折射率皆为肌长度分别为b ，厶， 而两光纤内传播的光强皆为厶，则两束光干涉后的光强，为： ，：4 l c o s ：f 竺尘垫二盟i( 1 2 ) 。 l a j 当桥梁应变使传感光纤的长度产生变化时，参考光纤长度仍保持不变，则两光纤 的长度差( l s - l r ) 将发生变化，从而导致两束光的干涉光强发生变化。每当被测对象 使得两光纤的长度差( l s - l r ) 变化4 u r d 2 时，干涉光强，就发生一次从最弱到最强再 到最弱的明暗交替变化，因此只要在被测对象作用过程中，传感光纤长度的变化 没有使两光纤的长度差( l s - l r ) 超出相干光源的相干长度，即可通过数出干涉光强明 暗交化的次数来准确地求出两光纤长度差( l s - l r ) 的变化量，从而知道桥梁应变 1 $ - 2 q 。 如果在两光纤纤芯内设置部分反射镜矗j 、r 2 、r 3 r m ( 图1 2 】，则两光 纤内传播的光在传播过程中，在每对部分反射镜r f 处皆有部分光能被反射而沿原 路返回，并形成各自的干涉。而每组部分反射镜胁产生的干涉，皆反映了从光源 到该反射镜之间传感光纤与参考光纤的长度差变化情况。 3 重庆人学硕十学付论文 图1 2 准相干光干涉型光纤传感头复用示意图 f i g1 2 s c h e m a t i co f m u l t i p s e u - - c o h e r e n ti n t e r f e r o m e t r y 如果采用准相干光源取代相干光源，并使每组部分反射镜尉之| 日j 的距离大于 准相干光源的相干长度，则各组干涉结果互不影响。利用这个设想，将每组部分 反射镜彤皆与被测对象的不同部位相固定，并利用一个附加干涉扫描机构来对各 组干涉信号解调( 图1 3 ) ，即可实现结构应变的准分布测量【2 2 - 2 3 。 图1 3 准相干光干涉型光纤传感器复用测量系统 f i g1 3 s c h e m a t t co f m e a s u r e m e n ts y s t e mo f p s e u - i n t e r f c r o m e t r y 具体的做法如下：如图1 3 ，传感器中的测量光纤和参考光纤分别反射光厶和 乃，经过读出装置的耦合器，分成 f 、厶j 和n 、易，分别输入到参考迈克尔逊干 涉仪的两臂中，经过反射又回到耦合器处并相干，然后通过探测器探测信号。假 设 和2 的光程差为厶当参考迈克尔逊干涉仪不引起额外的光程差时，五f 和如 相干形成亮条纹，厶，和易相干形成亮条纹，此时探测器测得一个峰值：扫描反 射镜移动，使参考边克尔逊干涉仪固定臂的光程比移动臂长厶此时易，和如的 光程相同，它们相干形成亮条纹，因此探测器可以测得另一个峰值；反之，扫描 反射镜移动，使参考边克尔逊干涉仪固定臂的光程比移动臂短，此时，和场 4 1 绪论 的光程相同，它们相干形成亮条纹，因此探测器测可以测得又一个峰值。这样对 于一个应变值，可以在探测器端形成3 个峰值，通过计算这些峰值之间的位置关 系，即可获得相应的应变值。 该方案的测量精度可以达到2 个微应变，同时可以实现多达六个传感器的分 布式测量，并且由于采取参考光纡和测量光纤差动的方式，因此可以实现温度的 补偿。现在已经有现成的产品，但是成本较高，标准传感器( 连接器) 每只折合人民 币约5 6 0 0 元，读出装置每台折合人民币约3 5 万元，3 2 通道光开关每台折合人民 币约8 万元。 1 2 4 分布式光纤布里渊散射应变传感器 光纤布里渊散射应变传感器是基于光纤中的布里渊背向散射光功率随着光纤 所受的应变线性变化的原理。由声振子诱发的b r i l l o u i n 散射光的频移吻取决于声 波的速度乃和入射的泵浦光的波长旯，它们之| 日j 的关系可以表示为i z 4 1 ： ：2 n v a ( 1 3 ) l 其中，h 为介质的折射率。由于声速是随温度和机械应变而改变的，所以b r i l l o u i n 频移是温度和应变的函数，光纤的拉伸应变内坳之问存在如下关系： 占：竖型二生业 f 1 a ) a ( o ) 、 其中，坳( o ) 为无应变时的布里渊频移，口为应变系数。 b f i l l o u i n 散射光在强度上，与r a m a n 散射一样微弱，但其频移却远远小于后 者，即b r i l l o u i n 散射的波长非常接近r a y l e i 曲散射，用常规的探测方法，很难观 测到b r i l l o u i n 散射。一般采用向光纤两端分别注入泵浦光和探测光的方法，利用 两光束之间的受激布里渊散射( s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ，s b s ) 相互作用，即 布里渊散射光放大，可获得比自然布里渊散射大3 - 4 个数量级的信号。图1 4 是布 里渊散射光放大法构成的光纤拉伸应变传感测量的原理图。 图1 4 光纤布里渊应变传感器原理图 f i g1 4 s c h e m a t i co f b r i l l o u i no p e cf i b e rs 仃a i ns e n s o r 重庆大学硕七学 奇论文 在图l ，4 中，调整探测光频率，当泵浦光频率v 与探测光频率v 一v 的频差v 与光纤中的布里渊散射频移一致时，由于光纤中的受激布里渊散射使得泵浦光 功率向探测光功率转换，即探测光被放大，测出探测光强度为最大时的频差a v 就 可以求出光纤的应变占。 图1 5 为探测系统原理图，若泵浦光采用脉冲光，并采用光时域反射技术 ( o t d r ) ，光纤布里渊背向散射应变传感器可以实现分布式应变测。但是由于布里 渊背向散射光很弱，因此探测电路十分复杂，离实现实用化的分布式应变测量还 有一定的距离。 探坝4 光 图1 5 布里渊散射光应变传感器探测系统原理图 f i g1 5 d e t e c t i o ns c h e m a t i c so f b r l l l o u i ns c a t t e r i n gs e n s o r 在各种光纤应变传感器中，光纤珐珀应变传感器具有结构简单、制作成本低、 稳定性好等优点，因此成为国内外研究最多的光纤应变传感器之一。 1 3 光纤应变传感器在结构健康监测中的应用现状 1 3 1 国外研究现状 美国、日本、英国、德国、加拿大、瑞士等国家从1 9 9 1 年开始，利用光纤传 感和压电传感技术，开始进行大型关键建筑结构的健康监测等方面的研究和应用。 到目前为止，已经在很多重要的高层建筑、大坝和桥梁中实现了在线实时自动监 测与控制，并实现了在线远程监测与安全预报，尤其在钢桥、混凝土桥及复合材 料桥中取得了良好的效果。例如：1 9 9 3 年，在加拿大c a l g a r y 所建造的一座新型公 路桥( b e d d i n g t o nt r a i l 桥) ，其桥墩部分首先采用了碳纤维复合材料代替混凝土中 的钢筋，同时在桥梁中布置了b r a g g 光栅传感器，以监测使用碳纤维复合材料代 替钢筋的效果及桥梁内部的应变状态；在k i mk s 等人对s u n g , s a n 桥进行的静、 6 1 绪论 动态测试中，采用了光纤珐珀传感器，结果表明，采用光纤珐珀传感器对s u n g s a n 桥进行健康诊断具有很好的适用性；美国的m a d a v i s 对新墨西哥州的1 - 1 0 桥采 用b r a g g 光栅光纤传感技术成功地实现了对桥梁应力应变的长期实时监测；瑞士 的s a m u e lv u r p i l l o t 等人于1 9 9 6 年对瑞士的v e r s o i x 桥进行了以光纤传感技术为主 的实时监测，整个监测系统由传感器和信息处理器两部分组成，利用该系统己成 功地对五座桥梁结构进行了实时监测。1 9 9 6 年瑞典在w i n t e r t h e r 的s t o r c h e n b r u c k e 斜拉索桥梁上应用光纤传感器成功地解决了斜拉桥索力的长期实时监测问题。鉴 于此，美国与日本甚至还将以此项技术为主要内容的智能结构与材料系统列为了 二十一世纪先导型战略产业。了解国内外此项技术的进展及发展趋势，借鉴国外 的成功经验，对于我国推动此项技术的研究与发展，开拓这个巨大市场，无疑是 十分必要的。 美国在桥梁健康监测光纤传感器研究项目上的投入最多、参与的研究与工程 技术人员也最多。维蒙特大学与电光子公司、海军实验研究中心、佛吉尼亚理工 学院与光纤传感公司、加里佛尼亚州立大学的研究及应用成果最为突出，布朗大 学、新泽西工程技术学院、新墨西哥州立大学等学校的研究也都各有特点。下列 是部分比较有影响的应用实例。 1 9 9 6 年由海军实验研究中心完成的新墨西哥州i 1 0 桥健康检测系统，该系统 由6 0 个f b g 传感器组成，可实现动态与静态应变测量；佛丝特一米勒公司在1 9 9 7 年也用f b g 传感器完成了俄亥俄州巴特勒县高速公路桥健康检测系统；1 9 9 5 年由 加里佛尼亚州立大学完成的4 8 万千瓦火电站锅炉的健康监测系统，利用光纤传感 系统、在世界上首次实现了华氏l1 0 0 度高温条件下的分布温度及应变监测，还在 锅炉的管线上安装了光纤传感器，为减低管线温度应力引起的危险应变发挥了关 键作用；维蒙特大学则自9 0 年代初即将光纤传感器应用于土木建筑的健康监测， 1 9 9 3 年即完成了实验室研究并率先开展了实用化研究，他们于1 9 9 5 年在w i n o o s k i 一处水坝上和v e r m o n t 一个兴建的建筑上安装了光纤传感器探测裂纹，并利用国 际互联网进行准实时通信，实现了结构的健康远程监测，此外还在电站大坝、高 层建筑、铁路公路两用桥上安装了光纤传感器；由于维蒙特市地处北美，冬季道 路积雪严重，因此市政当局每年冬季都在公路上大量撒播工业盐以消除道路上的 积雪，但这造成了公路、桥梁的严重腐蚀，因此维蒙特大学与美国电光子公司合 作，在光纤腐蚀传感器的研究与应用上取得了独特的成就，他们于1 9 9 7 年的夏季 在维蒙特市北部的三座桥上，共安装了6 4 个光纤腐蚀传感器，用于监测桥面的腐 蚀状况；还于1 9 9 8 年在维蒙特市的w i n o o s k i 河上w a t e r b u r y 的一座6 7 米的钢桁 梁桥上安装了3 6 个光纤腐蚀传感器、9 个光纤应变传感器、2 个多模光纤振动传 感器、2 个组合光纤腐蚀传感器对该桥进行全面的状态监测。 7 重庆大学硕士学位论文 在欧洲，瑞士是桥梁健康监测光纤传感器发展及应用研究最为活跃的国家之 一。其中最为突出的是瑞士联邦技术研究所与瑞士智能结构公司的合作，他们开 发出了基于准相干光干涉原理的光纤应变变形传感器，传感头为一种专用特佛龙 材料的管型物，可方便地埋入混凝土结构的内部或固定于任意结构的外部。其标 准的应变测量标距为o 5 2 米，而将其延长为1 0 - - - 1 0 0 米的长度时，则成为一种结 构变形传感器。瑞士智能结构公司的光纤传感器系列产品已在在桥梁、大坝等重 要基础设施上大规模应用。 多伦多大学与微光学公司合作，在加拿大取得了最为突出的成就。他们于1 9 9 3 年秋季即将1 5 个光纤f b g 传感器埋入碳纤维加筋混凝土梁中，在世界上首座用 碳纤维复合材料代替钢筋的碳纤维加筋混凝土梁的双跨桥上，完成了钢筋与两种 不同组分碳纤维筋的全部旌工工艺及动、静态试验比较测试。在此基础上，他们 又开发了一种能够同时容纳2 0 个f b g 传感器的4 通道便携式光纤传感测量仪， 并将其应用于位于卡尔加里的另外一座由5 跨组成、每跨6 0 英尺长的碳纤维加筋 混凝土桥上，对其应变与温度同时进行监测。最近还在一座超长大桥上安装了1 2 8 个光纤f b g 传感器。 英国的南安普顿大学、肯特大学、城市大学、斯特拉丝格莱得大学、巴司大 学等学校的光纤传感器研究皆闻名于世，其雄厚的技术积累上产生的智能光纤公 司，在建筑结构的健康监测上推出了系列产品。例如，在一幢十余层高的楼房上 安装了2 0 个光纤f b g 传感器，用于该楼的地震响应监测；该公司的产品还应用 于欧洲其他国家，1 9 9 8 年在葡萄牙里斯本的一座跨度为3 0 米的全复合材料人行桥 上，安装了1 5 个光纤f b g 传感器，测量该桥不同部位的动态应变。 德国国家航空研究所将光纤传感器埋入机场跑道，以检测其裂纹；联邦材料 实验与研究所将光纤干涉传感器埋入混凝土结构中，研究其应变情况；吉那高技 术物理研究所则在矿井的安全监测中，应用多种光纤传感器测量矿井的应变等参 量；而慕尼黑技术大学则在一个大型人工护堤内埋入了一根长5 6 公里的光纤，用 分布式光纤温度传感器测出了护堤的裂缝；他们还于1 9 9 7 年在土耳其境内的一座 6 0 米高的混凝土重力坝内，用同样的光纤传感器完成了该大坝的裂纹监测。 韩国的s a n g y o n g 研究中心与国家现代科技研究所合作，先后用光纤干涉传感 器、光纤珐珀传感器进行了混凝土与钢桁梁实验桥的模拟应用研究，然后于1 9 9 7 年在汉江最大跨度的s u n g s a n 桥上，选择了3 跨安装上光纤珐珀传感器，测量达 到了o 1 2 微应变的分辨力，并能进行动静态测试。 1 3 2 国内的研究概况 国内自8 0 年代以来，即开展了光纤传感技术的研究，先后有北京、上海、天 津、武汉、大连、成都、江苏、安徽、四川等地的数十所高校及科研院所从事了 1 绪论 这方面的基础及应用研究。从国家“六五”计划以来，国家科委及国家自然科学基 金委员会分别已投资近亿元、支持了数十个相关研究项目，重庆大学、武汉工大、 四川大学、武汉水电大学等多家单位都开展了光纤应变传感器的研究工作。 重庆大学在对光纤传感器近十年的基础研究中，始终跟踪国际发展前沿，考 虑到光纤珐珀应变传感器具有制作简单、制作成本低、稳定性好等优点，从1 9 9 8 年开始了相位调制型光纤珐珀应变传感器的应用基础研究，并将其与大型混凝土 结构安全监测紧密的结合起来。2 0 0 0 年，我们突破美国的禁运，研制出国内第一 台便携式光纤应变仪；随后开发出了一系列光纤珐珀应变测量仪和不同型号的光 纤应变传感器，形成了一套实用化的光纤应变测量系统；目前已经在重庆大佛寺 长江大桥、马桑溪长江大桥、高家花园嘉陵江大桥等十余座桥梁的结构健康监测 系统中得到应用。 1 4 课题的主要研究内容 从原理上看，光纤珐珀应变传感器应该具有非常高的应变测量精度，且应该 具有很好的线性。但是，实际使用中我们研制的光纤应变系统还存在一定的误差； 特别是对光纤珐珀传感器进行连续均匀加载实验时，测量值还会出现振幅为几个 到十几个微应变有规律的周期性跳动。这一问题一直没有得到解决，它不但限制 了我们的光纤珐珀应变测量系统在连续刚构桥梁等应变比较小的结构应变监测中 的应用，更大大的降低光纤珐珀应变测量系统的可信度，严重阻碍了光纤珐珀应 变测量系统在桥梁结构健康监测中的推广应用。本课题的研究就是针对这一问题 着手，主要研究内容包括以下三个方面的内容； 1 利用导波光学理论，结合光纤输出光场的高斯光束近似，分析了光纤中存 在的传输模式及其对测量精度的影响。 2 研究了测量系统中光谱仪背景光谱对光纤应变测量系统周期性跳动误差的 影响，并改进了测量系统的d g t 解调算法。 3 通过实验验证了理论分析的结果，并将改进后的光纤珐珀应变测量系统应用 在重庆石板坡长江大桥工程中。 9 2 光纤珐珀应变传感器基本原理 2 光纤珐珀应变传感器基本原理 2 1 基本原理 光纤珐珀应变传感器的原理与光学珐珀干涉仪相同。光学珐珀干涉仪简称f p 干涉仪，其原理如图2 i 所示。 i r e e 、 7 么 ，肜 弋 、 z( z 乏厂、 z 。主l = ， z 应 ( ，一一 夕 z 图2 1f - p 干涉仪简图 f i g2 1 s c h e m a t i co f f - pi n t e r f e r o m e t e r 间隔为三的两块内表面镀上反射膜的平行平板组成f p 谐振腔，当光束射入 腔内后就在f p 腔的内表面产生多次反射，从而形成光学谐振，产生多光束干涉 输出。如果我们将反射率r 定义为反射光强耳与入射光强五之比，即 r 专 仁， 那么，反射光光强的公式可以表示为： ：器扣磊4 r 磊s i n 2 - # ， 式中毋为光经过f p 腔所产生的位相差，表示为： 妒：4 r r 丝l 珂 ( 2 3 ) 妒=珂 ( 2 3 ) 其中a 为入射光波的波长，三和以分别为f - p 腔腔长和腔内介质折射率。当将 两平行平板的面积缩小、厚度拉长，直至成为两根光纤时，光学f - p 干涉仪就转 化为光纤珐珀应变传感器。如图2 2 所示，光纤珐珀应变传感器是在光纤中人为制 造出两个反射面，构成一个反射腔，称为光纤珐珀腔。当光束通过光纤入射到腔 内时，会在两个端面分别反射、并沿原路返回。若入射到此真空腔的光强为五，入 重庆大学硕七学何论文 射光束的波长为a ，真空腔的腔长为厶两束反射光束相遇干涉后的输出光强厶近 似为： l a p u t o u t p u t i r ：2 r ( 1 - - c o s ( 4 _ r t l ) ) z 图2 , 2 光纤( f p ) 应变传感器 f i g2 2o p t i cf i b e rf - ps t r a i ns e n s o r ( 2 4 ) 当此光纤传感器埋入混凝土结构内部时，结构的内部应变将使得光纤珐珀传 感器的腔长相应变化，从而改变输出光强和波长的分布( 图2 3 ) 。在解调时，即 可通过光强或波长的变化得到f p 腔长的变化厶从而得到应变量占：_ 垒生( 其中，d a 为敏感长度) 。 ( a )( b ) 图2 3 f - p 传感器信号输出( a ) 光强- 腔长关系( b ) 光强一波长关系 f i g2 3o u t p u to f f - ps e n s o r ( a ) i n t e n s i t yv s c a v i t y ( b ) i n t e n s i t yv s w a v e l e n g t h 2 2 传感器分类 光纤珐珀传感器从珐珀腔的结构上可以分为本征型光纤珐珀传感器、非本征 型光纤珐珀传感器和在线型光纤珐珀传感器三种。 2 2 1 本征型光纤珐珀传感器 i f p l l 本征型本征型光纤珐珀传感器的研制始于八十年代中期，是研究最早的一种 光纤珐珀传感器【2 5 1 ，在1 9 9 4 年以前占掘主导地位，其珐珀腔如图2 4 所示。其制 作工艺如下： a 将单模光纤去掉被覆层后在显微镜下切断为三截，并将光纤端面抛光。珐 2 光纤珐珀应变传感器基本原理 珀腔的腔长由中间一段光纤的长度保证。 b 利用交变脉冲平面磁控系统或阴极射线蒸发方式在光纤端面镀上一层t i 0 2 膜，其厚度约为1 0 0 0 埃，折射率为2 4 。 c 用比普通熔接时更小的电流和熔接时间在光纤熔接机上将光纤焊接在一 起。由于介电镜面的反射率是随着熔接次数的增加而单调下降的( 1 一1 0 ) ，所以 可以通过控制熔接次数的方法来控制得到所需要的介电镜面反射率。 d i l e c l r i cm i r r o r s i 奄矿测捏l 弋 图2 4 本征型光纤珐珀传感器原理图 f i g2 4 c o n s t r u c t i o no f l f p is e n s o r s 一般来说制作一个介电镜面的时间为1 分钟。如果想要得到超过1 0 的反射 率，就必须采用交变脉冲平面磁控系统镀上多层t i 0 2 膜。目前采用这种方法所能 达到的最高反射率为8 6 ( 波长为1 3 a m 时) 。这种干涉仪的制作过程较为复杂，并 且由于干涉腔是由光纤本身构成，温度对光纤介质折射率影响很大，因而在测量 应变时不易把温度和应变分离开。 2 2 2 非本征型光纤珐珀传感器 e f p i 】 人们发现i f p i 的传感部分在测量应力时，对各方向的应力的变化都比较敏感， 这样不利于提取所感兴趣的信号，所以人们在九十年代以后开始设计只感受轴向 应力，对横向应力几乎不敏感的传感器件。e f p i 就是其中的一种，其原理如图2 5 所示。这种传感器主要是由一个中空的毛细玻璃管和两个镀膜的单模光纤端面组 成【2 6 1 。由于珐珀腔是由空气问隙组成的，其折射率不受横向应力作用而改变，只 是由于中空的毛细玻璃管内的光纤自由端会因温度变化而伸缩，因而传感器对温 度有一定的敏感性。 1 3 重庆大学硕十学位论文 图2 5 非本征型光纤珐珀传感器原理图 f i g2 5 c o n s t r u c t i o no f e f p is e n s o r s 2 2 3 在线型光纤珐珀传感器 i l f e 】 上面两种传感器方案从原理上都无法避免温度的影响，因此人们对e f p i 方案 进行了改进，设计了在线型光纤珐珀传感器。i l f e 结合了i f p i 和e f p i 的优点， 从原理上讲属于e f p i 型。是一种只感受轴向应力，对温度、横向应力从原理上不 敏感的传感器 2 7 。踟。其原理如图2 6 所示。 * e # i 气耐e e l 一- - - - 幸 n l 气d | t l t 讳e ：k 图2 6 在线型光纤珐珀传感器原理图 f i g2 6 c o n s t r u c t i o no f l l f es e n s o r s 在制作这种珐珀腔时，首先在显微镜下切下一段特定长度的毛细玻璃管( 毛细 玻璃管的外径与单模光纤外径相同，内径与光纤的内径相同) ，然后将玻璃管与光 纤熔接。由于珐珀腔是由空气间隙组成的，空气折射率不像i f p i 那样受温度和横 向应力作用，同时，由于珐珀腔内并无光纤活动端，所以从原理上讲，i l f e 只对 轴向应力敏感，是最理想的光纤珐珀传感器。但是由于玻璃管长就是珐珀腔长， 只有几十微米，加工非常困难，而且玻璃管是中空的，要将它与光纤熔接而不损 伤光纤反射端面比较困难，因而珐珀腔的制作工艺难度很大，所以这种方案并不 实用。 2 3 传感器解调方法 当外界参量作用于光纤珐珀腔时，是通过改变传感器的腔长厶影响其光输出 1 4 2 光纤珐珀应变传感器基本原理 信号，因此光纤珐珀传感器的腔长工是反映被测对象的关键参数，而光纤珐珀传 感器的信号解调，就是由其输出光信号求解出腔长值三。根据解调时所利用光学 参数的不同，光纤珐珀传感器的信号解调主要分为强度解调与相位解调两大类。 强度解调一般利用单色光源m 固定) ，直接利用求解出；而