（通信与信息系统专业论文）基于光纤光栅传感器的桥梁健康实时监测系统的研究与实现.pdf

摘要 随着经济的飞速发展，我国桥梁建设取得了令人瞩目的巨大成就。但由于 外界环境等因素的破坏作用，桥梁结构不可避免地会产生损伤积累和抗力衰减。 如何及时准确地检测桥粱的健康状况，越来越引起人们的关注。桥梁结构的应 变状况是评价桥梁健康状况的主要性能指标。国内外出现了许多传统的结构健 康监测系统，但它们的采集速度低、精度误差较大，在其应用上存在较大局限。 随着嵌入式技术的快速发展，目前国内外对基于嵌入式技术的光纤光栅解调技 术的研究取得了较好成果，但其成果产品化成本太高，更不利于系统升级与功 能扩展。 由此可见，开发基于实时嵌入式技术的多通道多点、高速高精度、低成本 的，适合于桥粱健康监测分布式测量的和自适应的光纤光栅解调监测系统具有 重要的研究意义。围绕这一研究主题与目标，本论文主要完成了以下几个方面 的工作： i 、分析国内外桥梁结构监铡现状，结合桥梁的环境等因素，并分析比较了 几种数据通信传输方式，从而确定适合本研究主题的通信传输方式； 2 、分析设计了桥梁健康监铡系统总体结构方案，并根据数据传输要求设计 了上位机软件系统的结构及功能描述； 3 、针对所采取的遭信传输方式秘采集数据的信怠内容设计了上位杌与下 位机数据通信的协议格式； 4 、采用多线程编程技术。罔v c + + 设计上位枧监测系统终端软件，对采集 接收的原始数据进行处理、存储和显示，实现实时监测桥梁健康状况。 关键词：桥梁健康监测；嵌入式解调器系统；光纤光栅传感器：应变传感：多 线程 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，t h e r ei st r e m e n d o u sa c h i e v e m e n ti no u r c o u r t t r yb r i d g eb u i l d i n g b u tb r i d g es t r u c t u r ew a sd a m n i f i e di n e v i t a b l ya n di t s r e s i s t a n c ew a sa t t e n u a t e dd u ot ot h ed e s t r o ye f f e c to fe n v i r o n m e n t m o r ea n dm o r e p e o p l ec o n c e r n e dh o wm e a s n l ea n dm o n i t o rt h eh e a l t ho fb r i d g e t h es t r a i no fb r i d g e s t r u c t u r ei sm a i np e r f o r m a n c et oe s t i m a t eb r i d g eh e a l t h t h e r co r em u c hs y s t e mo f s t r u c t u r eh e a l t hm e a s u r ea n dd e m o d u l a t i o ni na l lo v e rt h ew o r l d b u tt h es y s t e me x i s t b i g g i s hl i m i m t i o ni np r a c t i c ea p p l i c a t i o nb e c a u s eo ft h el o w e rs p e e da n dp r e c i s i o no f d a t aa c q u i s i t i o n w i t l lt l l e r a p i do fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h e r ei s p r e f e r a b l e p r o d u c t i o ni nt h er e s e a r c ho fo p t i c a lf i b e rb r a g gd e m o d u l a t i o nb a s e do ne m b e d d e d t e c h n o l o g y h o w e v e ri t sc o s ti st o oh i g h ，m o r e o v e rt h es y s t e mf u n c t i o nu p d a t i n ga n d e x p a n d i n g i sn o tc o n v e n i e n t t h u s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c et od e s i g nam o n i t o r i n gs y s t e mo f b r i d g eh e a l t h ，ao p t i c a lf i b e rb r a g gd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nr e a l ，t i m e e m b e d d e d t e c h n o l o g y ，w h i c h i sm u l t i c e n t e ra n dm u l t i s e n s o r d i s t r i b u t e d a u t o a d a p t i v em e a s u r e ，h i g hs p e e da n dp r e c i s i o nb u tl o wc o s t s ot h i sr e s e a r c ht a s k h a sm a i n l ya c c o m p l i s h e ds e v e r a la s p e c t sa sf o l l o wb e l o w ： 1 t oa n a l y z et h eb r i d g es t r u c t u r em o n i t o r i n gs t a t u si na l lo v e rt h ew o r l da n dt h e e n v i r o n m e n to fb r i d g e ，t oc o m p a r es e v e r a ld a t ac o m m u n i c a t i o nm o d es o a st o c o n f i r mt h ec o m m u n i c a t i o nm o d eo f t h es y s t e m 2 t oa n a l y z ea n dd e s i g nt h eg e n e r a ls t r u c t u r es c h e m eo ft h eb r i d g eh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m ，t od e s i g nt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o nd e s c r i p t i o no ft h em o n i t o r i n g t e r m i n a ls o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t 3 a c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o nm o d ea n dt h ef o r m a to fg a t h e r i n gd a t a ，t o d e s i g nt h ed a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h et e r m i n a la n dt h eo p t i c a lf i b e r b r a g gs e n s es i g n a ld e m o d u l a t o r 4 t od e s i g na n di m p l e m e n tt h em o n i t o r i n gs o f t w a r e s y s t e mf o rr e a l t i m e m e a s u r eb r i d g eh e a l t hu s i n gm u l t i t h r e a d i n gt e c h n i q u ei nv c + + t h es o f t w a r e f u n c t i o ni n c l u d e sd a m c o m m u n i c a t i o n ，p r o c e s s i n g ，s t o r a g ea n dd a t ac u r v ed i s p l a ya n d soon k e yw o r d s ：h e a l t hm o n i t o r i n go fb r i d g e ；e m b e d e dd e m o d u l a t i o ns y s t e m ；o p t i c a l f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r ；s t r a i ns e n s i n g ；m u l t i t h r e a d i n g i i 独创性声明 y8 6 0 2 0 9 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特另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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 签名壹壁日期：丝之垂丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：萄吐导师签名：f ( 注：此页内容装订在论文扉页) 期：坦! ! 星丝 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 弓i 言 第1 章绪论 随着改革开发的发展步伐和国民经济的飞速发展，我国公路建设取得了令 人瞩目的巨大成就，全国上下以高等级公路为主骨架四通八达的公路网已初步 形成。桥梁是公路的重要组成部分姿态各异的城市立交桥、气势宏阔的跨江 大桥逐渐增多，连绵逶迤的跨海大桥工程也正蓄势待发。桥梁建成通车以后， 由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化，车辆荷载增大或交通量 剧增，桥梁伸缩缝损坏或桥面不平整对桥梁结构带来的不利影响等灾变因素的 复合作用，桥梁结构不可避免地会产生损伤积累和抗力衰减，从而造成抵抗自 然灾变能力的下降，甚至引发突发事故，例如1 9 9 9 年重庆虹桥坍塌事故；2 0 0 0 年台湾高屏大桥断裂；2 0 0 1 年四川宜宾南门大桥坍塌事故：1 9 9 4 年的汉城汉江 圣水大桥坍塌事故；2 0 0 3 年发生在葡萄牙的桥梁坍塌事故等 1 , 2 1 。这些突发事故 不仅造成了重大的人员伤亡和财产损失，而且造成了不良的社会影响。虽然在 一些事故发生前出现了结构开裂、桥面下沉以及漏洞等征兆，但是由于缺乏有 效的结构健康监测手段和必要的灾害预警体系，所以无法避免事故的发生。因 此许多结构和设施急需采用有效的手段来监测和评估其安全、修复和控制损伤， 而新建的结构和设旄也应该开始增设长期的健康监测系统，来确保结构和设施 的使用安全。因而，对桥梁结构进行健康监测就显得尤其重要。 如何准确及时地评价桥梁的健康状况引起了人们的高度关注。桥梁结构的 应变状况是评价桥梁健康状况的主要性能指标。桥梁监测是诊断桥梁健康状况 的主要手段。传统的无损检测技术如射线检测法、核子激活法、电阻计、离子 渗透、超声波、检测温度法、谐振频率法以及在混凝土中埋入铁质颗粒的电磁 辐射仿真法等都存在不同程度的缺陷，不能实现对桥梁结构的健康监测。如传 统的电检测方法，这是一种在桥梁的某个部位外粘电阻应变片来涣4 量应变的方 法。它所依据的原理是将应变片组成桥式结构来感应被测体应变的变化，并转 换成需要的电量，以利用应变变化与应变片的电阻变化a r 之间的关系 r = a a e ( 为应变率) 进行检测。 武汉理工大学硕士学位论文 现代光纤传感技术和计算机及其网络技术的快速发展，使桥梁健康状态的 实时监测变为现实，有效的实时监测可以大大减少桥梁的保养维修费用，延长 桥梁的使用寿命，确保桥梁的安全通行，避免重大事故的发生。 1 2 课题研究背景及意义 目前国内外出现了许多适用于大型结构健康监测的分布式测量环境的解 调监测系统。最开始主要是基于“测控卡+ 工控机”的方案，即用现成的信号采 集板卡插入工控机中。这种方式具有稳定性好，通用性强等优点。但是由于高 速采集中随着采集和处理数据流量的加大，其通用性决定了性能、价格、成本 不能满足要求。国内实现了一种高线性度光纤光栅探测反射波长移位的方法， 可测量温度或应变，用该技术可构成一个波分复用四光纤传感器组成的传感网 络。其应力测量探测精度达4 6 8 此，其速度和精度还跟不上工程应用的需要。 随着嵌入式技术的快速发展，目前国内外对基于嵌入式技术的光纤光栅的 解调技术的研究非常热门，但是最早只有美国的m i c r oo p t i c 公司能够生产出商用 的准静态分辨率达到l p m 的光纤布拉格光栅波长解调仪，他们用可调f p 腔滤波 方法生产的光纤光栅传感器，其动态范围约5 0 r i m ，分辨率为l p m ，测量精度：e 5 p m ， 扫描速度2 5 0 h z 。它是基于嵌入式系统的高速集中处理系统，即把传感信号采集、 处理、分析、显示、存储等功能都集中于一个嵌入式体系结构中，其功能较全、 测量准确性也较高，实时扫描频率商，而且同时可以对多点进行测量。但是价 格比较昂贵，尤其在组成大型集中的结构健康监测控制系统需要多解调器时， 其资源浪费严重，而且成本太高，更不利于系统升级和功能扩展。 在国内，虽然已有很多科研单位做了大量研究工作，但是能够应用于桥粱 结构健康监测的同类高性能的基于嵌入式的解调器产品几乎还没有出现，而且 技术与世界先进水平也有很大差距。国内的嵌入式光纤光栅解调器市场目前仍 处在起步阶段，但其日益旺盛的需求显示出它的市场潜力。设计开发一种高精 度分布式光纤多布拉格光栅传感器波长解调系统，使其直接获得标志传感量的 信号与数据，进而对其他机电系统等进行控制，实现光纤光栅传感器台勺广泛应 用，成为当前的迫切需要。 随着光纤光栅的制作、解调技术的发展。光纡光栅传感器也在各个领域得 到很大的发展，已经成为近年来的研究热点。目前，对光纤光栅传感器的研究 方向主要有三个方面1 3 , 4 1 ： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 、研究具有高灵敏度、高分辨率，且能同时感测应变和温度变化的传感器； ( 2 ) 对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究。目标是开发低成 本、小型化、可靠且灵敏的探测技术； f 3 ) 光纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术，温度补偿技术，传感 器网络技术。常见的光纤光栅传感器有：基本光栅传感器，啁啾光栅传感器， 长周期光栅传感器，布拉格光栅传感器和多轴温度、应变光栅传感器l j “。 由此可见，开发基于嵌入式技术，实现多通道多点、高速高精度、适合于 桥梁健康监测分布式测量的、自适应的光纤光栅解调器存在着很大的技术空间。 1 3 课题研究主要内容 本课题研究的任务重点是实现基于嵌入式技术的多通道多点、高速高精度、 适合于桥梁健康实时监测分布式测量的、自适应的光纤光栅解调器，围绕这一 研究主题，从理论、技术、设计和程序实现上来对分布于桥梁内的光纤布拉格 光栅传感器进行高速高精度测量、分布式多点同时测量、远程实时监测和低成 本高性能实现等问题展开研究工作。主要完成以下几个方面的工作： 1 研究嵌入式处理器体系结构、嵌入式硬件体系以及外设硬件结构，如串 行通信接口、1 2 c 总线、l c d 控制器、r t l 8 0 1 9 网卡及驱动等； 2 分析研究嵌入式操作系统及嵌入式软件设计方法，利用嵌入式编程技术 在选用的嵌入式处理器上移植实时操作系统和弼络协议栈； 3 研究各种光纤布拉格光栅传感器解调技术资料，学习光纤布拉格光栅传 感器工作原理，以及解谒系统中硬件组成结构： 4 研究和设计基于嵌入式技术的分布式光纤布拉格光栅传感信号解调系 统，以及系统中信号采集、扫描控制、数据处理、数据传输等各个环节的技术 方案及其实现； 5 利用网络通信技术、t c p i p 通信协议，s o c k e t 编程技术，研究并探讨适 合远程实时监测的数据快速传递的通信方式，实现系统之间的数据交换： 6 在嵌入式处理器上实现多任务编程，包括自弓l 导程序，以及信号采集、 扫描控制、数据处理、数据传输等模块； 7 在w i n d o w s 环境编程下采用多线程编程技术，用v c + + 设计上位机监测 软件系统，对传感数据进行处理、存储和显示，实现实时监测结构健康状况和 历史数据查询。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的组织结构 本论文详细地介绍基于光纤光栅传感器的桥梁健康实时监测系统的研究与 实现。全文共分为5 章：第1 章介绍桥梁等之类的结构健康监测研究的现状、发 展与研究意义，以及本课题的主要研究内容等。第2 章介绍了光纤光栅传感器的 原理及其解调方法，并简单介绍了光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用。 第3 章阐述监测系统总体结构设计方案。包括硬件系统设计、软件系统总体概要 设计等。第4 章详细阐述了上位机软件系统各模块的设计与实现，分别从通信协 议定义、数据接收、数据处理分析、波形显示等功能的实现，包括界面i 殳计等 方面对上位机软件系统进行详细说明。第5 章对本论文的研究工作与内容进行了 总结与展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感器与解调方法 光纤布拉格光栅( f b g ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 传感器与其它类型的传感器 件相比，具有可靠性好、抗电磁干扰、耐腐蚀、能在复杂的环境下工作等特点。 对光纤光栅的波长编码信号进行解调，是实现光纤光搬传感应用的关键。 无论是温度，还是应变的变化都会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化， 从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤光极的反射谱或透 射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变信息，这就是用光纤光栅测量温度、 应变的基本原理。由于光纤光栅同时对温度、应力和压力敏感，因此如何建立 光纤布拉格光栅的理论模型，及在此模型的基础上如何区分温度和应变信号是 光纤光栅传感器在实际应用中必须解决的一个问题。 本章主要研究分析了光纤b r a g g 光栅传感理论，温度、应力的传感机理以及 对温度和应变传感信号的解调方法。 2 1 光纤b r a g g 光曩传感器 2 1 1 光纤b r a g g 光l 瞧摩原理 根据光纤藕合模理论【3 ，5 】，当宽带光注入光纤光栅时，产生模式藕合，满足 布拉格条件的光被反射回来，这就是光纤布拉格光栅的基本工 乍原理。光纤悫 拉格光栅的反射光的中心波长h 为哪】： 力8 = 2 刀够a ( 2 1 ) 其a 为布拉格光栅的周期( 也即栅距) ，i l c 曲光栅区的有效折射率。 由于光栅栅距是沿光纤轴向分布，因此外界激励( 如温度、应力等) 的改 变，光纤将产生轴向应变和折射率变化，栅距也随之变化a 。则波长变化为： 五8 = 2 ( a n , l j a + 甩。矿a )( 2 2 ) 由( 2 2 ) 式可知，当纤芯有效折射率m f r 和光栅周期a 改变时，中一i i , 反射波长会相应 的改变；而当外界因素发生改变时，都会导致光纤布拉格光栅的 和n c 忭的改变。 这个改变可以从光栅的反射光谱中检测出来。通过对光栅布拉格波长微小偏移 的检测可以测定光栅受激励影响的程度。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 光纤b r a g g 光疆的温度传盛特性 温度影响光纤b r a g g 光栅波长是由热膨胀效应和热光效应引起的m 1 。假设均 匀压力场和轴向应力场保持恒定，当温度变化t 时，一方面由热膨胀效应引起 的光栅周期变化1 3 , 5 为： 人= 搿a 7 ( 2 3 ) 式中o t 为光纤的热膨胀系数。 而另一方面由热光效应引起的有效折射率变化 3 , 5 1 为： 肝咿= 掌行町r ( 2 4 ) 式中e 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率，可以表示为： 善一寺誓a 筹 s ， n c y n i 式中v 为光纤的归一化频率。 所以温度对光纤光栅波长漂移的总影响为： 全冬：( 口+ f ) r ( 2 - 6 ) 定义光纤b r a g g 光栅的温度灵敏度3 j 6 】为： 彪，= j j t ! ；戋：= 口+ 亭 ( 2 7 ) 1 五。 7 ” 对掺锗石英光纤，常温下c c 取0 ，5 1 0 击，e 取7 o 1 0 。6 ，由此估算出常温 下光纤b r a g g 光栅的温度灵敏度为7 5 x u 5 4 c 。由于掺杂成分和掺杂浓度的不同， 各种光纤的膨胀系数0 t 和热光系数e 有较大差别，因此温度灵敏度的差别也很大。 当温度变化不大时，一般都认为 是一个常数，因此光纤b r a g g 光栅波长的变化与 温度之间有较好的线性关系，但实际上薯是温度的函数l 。 2 1 3 光纤b 憎嚣光的压力传摩特性 当压力( 通常指对光纤的横向作用力) 变化a p 时， 会发生变化【4 1 ，其变化关系可表示为： 等= c 筹p + 旦0 p 五b 。aa甩 1 光纤光栅的反射波长也 ( 2 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 又因为 a a a a p ( i 一2v ) e 坠l ：立( 1 2 。) ( 2 p 1 ：+ p l 。) ne f f o p2 e 、 21 ( 2 9 ) ( 2 1 0 、 将( 2 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 代入( 2 _ 8 ) 可得： 竽十垫e + 鱼2 e ( 1 功) ( 2 ”钔】p ( 2 - 1 1 ) 五n 。 一“ 一“， 2 1 4 光纤b m g g 光的应力传盛特性 应力影响光纤b r a g g 光栅的波长变化是由于光栅周期的伸缩和弹光效应所引 f i g 的 2 , 3 , 5 1 。假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。 方面光纤光栅被机械性的拉长而改变其光栅常数【3 , 5 1 ，可以表示为： a 1 2 。= ( 2 1 2 ) 其中z 为考察点处轴向应变。另一方面弹光效应使光纤光栅折射率发生变化 嘞= 益虫半坠型s ：( 2 - 1 3 ) 式( 2 一1 3 ) 两端同除以l l c f f 可得： 鲁= 一肇2 - v ( k n 町 其中p u ( j = 1 ，2 ) n p o c k e l 系数，v 是p o c k e l 比。定义有效弹光系数p e 为 t = 孚叫只，+ 纠】 对于硅纤介质的光纤光栅，p c - 0 2 2 。由此( 2 1 4 ) 式可以表示为： 等一和： 所以两种作用的总贡献为： 会生：( 1 一只) 。： lb ( 2 1 4 ) ( 2 15 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 对于石英光纤，可取 孥：0 7 8s ：( 2 1 8 ) l 8 因此，由光栅波长的变化b 可方便地求出外界应力：。实际工程应用中常引入 应变量的l 1 0 ，即雌( 微应变) 作为应变的度量单位。 2 1 5 温度、压力和应力的交叉影响 温度、压力和应力可以直接作用于光纤b r a g g 光栅，均可通过折射率和光栅 常数来影响光栅的布拉格反射波长f 4 ，5 ，7 ，剐，因此可以通过观察光纤b r a g g 光栅的波 长漂移而对其进行监测。如果光纤b r a g g 光栅同时受上述三个物理量的作用，则 总的漂移量1 4 , 5 , 7 1 为： 等- ( 1 一只) t m 均川一警+ 差, 2 ( 1 _ 2 v ) ( 2 釉脚 l 自 dd ( 2 一1 9 ) 在1 5 5 p z 时应变和温度引起的光纤b r a g g 光栅反射波长漂移的典型值为 1 1 5 p “肛和1 3 p m 。c ，而压力引起的波长漂移典型值为3 1 3 p m m p a 。由此可见， 光纤b r a g g 光栅传感器对压力不太敏感，除非用来测量高压或者波长分辨率极高 的解调装置，或借助某种装置将压力转化为对光纤b r a g g 光栅的应力，否则光纤 b r a g g 光栅一般不用来测压力，而只用来对温度、应力及借助某种装置能转化为 温度或应力( 通常为应力) 作用于光栅的物理量进行传感测量。 假设温度变化范围不大，即在温度变化范围内材料的弹光系数和泊松比是 常数，可以得到应变温度交叉灵敏度7 】为： 轳袅t = 掣t 钊堋等+ 毛掣 占 、 “7 。 ， f 2 2 0 ) 将式f 2 - 7 ) ：9 1 ( 2 1 3 ) 代x ( 2 2 0 ) ，可得到： 巍= 【( 口+ 默l 一只) 一2 只胡五= 孵疋一理胡磊( 2 2 i ) 由此可以得出： ( 1 ) 忽略光纤b r a g g 光栅的应变一温度交叉灵敏度对测量结果的影响不大。 ( 2 ) 测量范围越小，忽略交叉灵敏度所引起的应变和温度误差越小。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 相对于温度误差。忽略交叉灵敏度所弓l 起韵应变误差是很小钓。 综上所述，如果忽略交叉灵敏度的影响，温度、压力、应力共同作用引起 的光纤b r a g g 光栅波长的变化 4 , 5 1 可以表示为： 蝇= 巧+ 彤。+ 砗】厶( 2 2 2 ) 而对于其它物理量无论直接或间接作用于光栅，只要影响光纤光栅格栅间d 的光程，就可以被光纤光栅所感测到。 2 2 光纤b r a g g 光栅解调方法 在实际工程的应用中，光纤光栅传感信号的解调通常包括两部分：一部分 为光信号处理，主要是将光信号的波长信息转化为电信号，另一部分为电信号 处理，主要是对电信号的运算处理，提取外界信息并以人们熟悉的形式输出显 示。其中，光信号处理，即传感光栅中心反射波长的跟踪分析是其核心部分， 相当大程度上决定了解调的分辨率、可靠性和成本。 当前，在光纤b r a g g 光栅波长为1 3 1 ) 0 1 5 0 0 n m 对，典型的温度和应变灵敏 度为o o ll n m o 和0 0 0 1 3 n m i | t e 。为了达到1 和1 0 p a z 的测量精度，对于中心 波长的位移a b 的测量精度应优于0 , o l n m 的量级。因此b 钓溺量精度直接限 制了整个系统的检测精度，从b 的检测技术也就成为光纤光掘传感信号解调的关 键技术之一。 对光纤b r a g g 光栅传感信息的解调，传统方法是使用光谱仪、单色仪以及带 有色散元件的c c d ( c h a r g ec o u p t e dd e v i c e 。电荷耦合器件) 探测器。这些解调 方法的成本造价高，体积大，不便于携带，不适合现场使用。为解决上述这些 问题，人们提出了许多新的解调方法，比如可调谐光纤f p ( f a b r y p e r o t ) 滤波 法，匹配光纤光栅法，非平衡马赫一曾德( m z ，m a e h z e h n d e r ) 干涉仪法，边 克耳孙干涉仪解调法等等【3 - 5 l 。本章节主要研究几种典型的光纤b r a g g 光栅传感 器阵列的解调方法。 2 ，2 i 光纤f - p 滤波嚣解谓法 光纤f 。p 滤波器解调是采用可调谐法布里珀罗腔( f p 腔) 法对布拉格波长 迸行解调，该系统具有体积小、价格低，且可以直接输出对应于波长变化的电 信号，是一种较好的解调方法f 9 - l ”。 9 武汉理j ，大学硕士学位论文 f - p 腔的光学原理就是多光束干涉，当一泵光通过光纤入射到f p 腔中时，在 光纤的两端面发生多次反射，一部分光沿原路返回形成反射光；另一部分光从 f - p 腔的另一端射出形成透射光，根据多光束干涉原理可得知反射光钓光强f 3 1 为： “2 等r i + 4 r s i n2 ( 。2 ) f 2 2 3 ) 透射光的光强翻为： 2 章( 2 - 2 4 ) 其中厶为入射光的光强，尺为f p 腔壁反射率。中为相邻两光束相位差，相位差中 与f p 腔的腔长h 满足如下关系式： 中= 2 a a 2 = 4 n r l h c o s ( o 允( 2 2 5 、 式中为相邻两光束光程差，n 为f p 腔的折射率，h 为f p 腔长( 即两镜面之间的 距离) ，x 为光波的波长，i 为入射角。 由式( 2 2 3 ) 可以看出，r 越大则反射光越强，但透射光总是存在的。由式( 2 2 4 ) 可以看出，当q b = 2 k 时反射光强为0 ，透射光强为厶达到最大。由式( 2 2 5 ) 可以看 出，相位差中与f p 腔的折射率1 1 及f p 腔的腔长h 有关。因此调谐f p 腔的腔长和 调谐f p 腔的折射率n 均可以达到改变入射光强和透射光强的目的。 当入射光为平行光时，i 固定( 通常为0 或接近于o ) ，相位差主要是波长x 的函数。由于多光束干涉使得在一定的光谱范围内只有某些特定的波长h 附近 出现极大。当i = o 时，这些k 满足下式： 2 n h = k 2 r( 2 2 6 ) 式中k 为干涉级数。 对一定的腔长h 。在所要求的从九到九+ 九的波长范围内，不能同时满足波长 k + a k 的k 级干涉和波长九的k 十l 级干涉条件，否则将无法区分九和n 九。因此由( 2 2 6 ) 式令2 n h = k ( 2 + z 1 2 ) = 伍+ j ，可以得到在腔长为h 时的f p 腔自由光谱范围u 以 波长九表示) ： 五五2 a 22 i 2 2 n h ( 2 2 7 ) 由式( 2 2 7 ) 可知，对一定的波长，腔长h 越长，则自由光谱范围九就越小。 0 武汉理工大学硕士学位论文 f - p 滤波器需要能在不同的对阔内让自由光谱范围内韵光谱依次通过。每一 次通过的光波长和腔长之间是一一对应的。对于f p 滤波器，在自由光谱范围从 内的干涉级次都是相同的，即当可调f p 滤波器工作时，( 2 - 2 5 ) 式中的干涉级次 k = 2 n h x 是不变的，变化的只是光波长九和滤波器的腔长h 。 可调f p 滤波器的腔长变化范围与自由光谱范围和透射光的干涉级次k 有关， 而干涉级次又是由光源的峰值波长和滤波器的腔长共同决定0 2 q5 1 。因此，f p 滤 波器的腔长变化范围将与滤波器的自由光谱范围，光源的峰值波长k 和f p 滤波 器的初始腔长h 与f p 腔两端面的反射率r 有关。 图2 , - 1 可调谐光纤 f - r t 虐渡器的解调方法 f p 腔可以作为一个窄带滤波器。在一定波长范国内，若以平行光入射到f p 腔，则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉，产生相干极大， 利用f p 腔的这个特性可以对f b g 传感器的反射波长进行检测。用可调谐f p 腔对 光纤布拉格光栅传感器的反射波长进行测量，如图2 1 所示【i 酊。它可以用于静态 及时变物理量的测量。 图2 1 中所示是开环扫描系统。可同时对g l 、g 2 、g 3 和g 4 四个光纤光栅组成 的波分复用网络系统的布拉格波长移动量进行测量。光纡光极g l 、g 2 、g 3 和g 。 的布拉格波长均在光纤f p 滤波器的自由光谱区( 4 3 n m ) 内。在压电陶瓷p z t 上加 锯齿波电压，从而使光纤f p 滤波嚣在它的自由光谱区内扫描，让光纤f p 滤波器 的透射波长分别与g l 、g 2 、g 3 和g 4 反射的布拉格波长相匹配，实现对光纤光栅 g i 、g 2 、g 3 和g 4 的布拉格移动量的测量。所用的光纤f p 滤波器的自由光谱区为 4 3 r m l ，透射光谱的峰值宽度为0 3 8 ，细度为ll o 。 在该解调测量方法中，单光纤光栅传感器的测量分辨率小于0 3 9 应力，整个 武汉理工大学硕士学位论文 光纤光栅网络系统的测量分辨率小于士3 p 应力引。由于解谲测量输出是扫描光 纤f p 腔长的压电陶瓷p z t 的驱动电压，所以测量精度受压电陶瓷p z t 的非线性 及滞后性的限制。其测量范围不仅受光源带宽的限制雨且还受f p 腔的自由光谱 区的限制。 2 2 2 光纤光疆波长匹配解调法 廿i fg - “ u 廿“ ( a ) ( b ) 圈2 - 2 光纤光橱波长匹配解调法 光纤光栅波长匹配解调是用一个或一组光纤光栅作为参考元件，与另一个 或一组用于敏感元件的光纤光栅的布拉格波长相匹配，来解调作为敏感元件的 光纤光栅的布拉格波长的移动量。如图2 - 2 所示，图( a ) 是单个光纤光栅传感解调， 图( b ) 是四个光纤光栅组成的波分复用网络解调测量方法f 川。作为参考元件的光 纤光栅的公称布拉格波长与它所解调的作为传感元件的光纤光栅的公称布拉格 波长相同。光源发出的光经过3 d b 耦合器，到达作为敏感元件的光纤光栅，满足 布拉格条件的布拉格波长技光纤光掇反射回来，再次经过3 d b 耦舍器，到达作为 参考元件的光纤光栅。参考光纤光栅夹持在压电陶瓷p z t 上，利用压电陶瓷p z t 拉伸光纤光栅调谐参考光纤光栅的布拉格波长。当参考光纤光栅中的某一卜 光纤光栅与相对应的作为敏感元件的光纤光栅的布拉格波长相匹配时，对应的 探测器探测到极大光强，此时输出压电陶瓷p z t 的驱动电压值作为测量结果。从 而达到解调光纤光栅布拉格波长的目的。图2 2 中解调测量的分辨率为4 1 2 u 应 力。从测量原理不难看出其测量结果也是拉伸光纤光栅压电陶瓷p z t 的驱动电 压值，测量结果必定受到压电陶瓷p z t 的非线性和滞后性的影响，测量精度难以 提高f 3 , 1 6 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 光纤光栅波长匹配的光纤光据传感解调法 图2 3 是另一个光纤光栅波长匹配的光纤光栅传感解调方法0 6 】。宽带光源发 出的光经过3 d b 耦合器后，到达串联的传感光纤光栅阵列。满足布拉格条件的光 波被反射回来，再经过3 d b 耦合器，到达作为滤波元件的光纤光栅阵列。各个滤 波元件阵列中光纤光栅的公称布拉格波长分别与传感阵列中光纤光栅的公称布 拉格波长相同。滤波元件阵列的光纤光栅夹持在由压电陶瓷p z t 驱动的微动机构 上，调节滤波元件的布拉格波长。当滤波元件的布拉格波长与它所对应的传感 元件的布拉格波长相匹配时，接在尾端的探测器探测到信号。探测信号反馈给 各个锁定放大系统，与压电陶瓷p z t 的控制电压及抖动电压叠加后驱动压电陶瓷 p z t 。在压电陶瓷p z t 上加抖动电压也是为了提高对布拉格中心波长的对准精 度。该方法中只用了一个探测器及一个3 d b 耦合器，这就减少了由元件带来的光 强损失。该方法对于频率大于3 h z 的时变信号的测量分辨率为0 1 l a 应j 3 h z 。 2 2 3 可调谐激光毒的波长匹配解调法 图2 _ 4 可调谐激光器的波长匹配解调法 可调谐传感解调是通过调节光源波长来达到与光纤光栅布拉格波长相匹配 的目的，如图2 4 所示。通过压电陶瓷p z t 调节光纤激光器的腔长。相应调节 武汉理工大学硕士学位论文 激光器的输出波长，使之与光纤光栅布拉格波长相匹配。光纤激光器是由纤芯 为2 6 9 m 的掺铒光纤制成，光纤中有一对反射率约为9 8 的光纤光栅，这对光纤 光栅相距2 m m 。光纤激光器由波长为9 8 0 r i m 的激光二极管抽运，光纤激光器粘在 长度为4 5 c m 的压电陶瓷p z t 上，压电陶瓷p z t 的最大伸长量为9 0 9 m ，相应可以 调节光纤激光器输出波长的变化量为2 3 n m 。光纤激光器发出的光经过隔离器和 3 d b 耦合器到达光纤光栅g ，压电陶瓷p z t 线性调节光纤激光器的腔长，使其输 出波长发生变化。当光纤激光器输出的波长与光纤光栅反射的布拉格波长相匹 配时，光波被光纤光栅反射回来。反射光波再次经过3 d b 耦合器到达探测器，并 输入到分析仪进行分析。把光纤光栅加热可测量不同温度下的布拉格波长移动 量。与f a b r y p e r o t 解调系统一样，可以在压电陶瓷p z t 上加抖动电压来提高波长 的匹配精度。测量温度的分辨率为0 ，2 c ，相当于2 p r o 的波长移动量，相对精度 达n o 1 0 2 。由于激光器对温度很敏感，所以其测量精度受温度变化的影 响很大n 1 6 ，l7 1 。 2 2 4 非平衡马赫一曾筐干涉仪解调法 图2 - 5f - p 与m z 干涉仪组合的光纤光栅解调方法 如图2 5 所示的光纤光栅测量解调方法是由三个3 d b 耦合器( c 1 ，c 2 ，c 3 ) 组成两个波分复用网络( 九i h ) 及( h h ) ，用光纤f p 滤波器与马赫一曾德 ( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪组合解调光纤光栅的布拉格波长。压电陶瓷p z t 调谐光纤 f - p 滤波器的腔长，使不同光纤光栅的布拉格波长的光波通过它，相对应的光纤 光栅就有布拉格波长的光波反射回来，而其它的光纤光栅没有反射信号。 m a c h z e h n d e r 干涉仪的两个臂的长度差为1 5 m m ，通过用相位调制器周期性地调 节其中的一个臂，探测器探测到的光强就会周期性地变化。当光纤光栅受拉时， 4 武汉理工大学硕士学位论文 光纤光栅反射的布拉格波长将发生变化，这将导致探测器输出的电信号的相位 发生变化，通过锁相放大器处理后，测量出相位的变化量。利用已知的应力一 相位关系，即可测出光纤光栅厥受的应力变化，其测量分辨率为o 0 9 p m i - i z l 。 该解调方法可容纳2 0 个光纤光栅，每个光纤光栅的测量范围为士5 0 0 应力6 ，18 1 。 图2 - 6m - z 干涉仪解调的光纤光栅应力测量方法 图2 - 6 所示是具有温度补偿功能的应力测量方法【1 6 l 。光纤光栅g i 和g 2 由不同 直径但相同材料的光纤制成，g i 的直径为1 3 5 n m ，g 2 的直径为1 6 5 r i m ，它们对温 度变化的敏感性相同而对应力变化的敏感性不同。g l 和g 2 的公称布拉格波长不 同，从g i 和g 2 反射回来的光波经过3 d b 耦合器后到达m a c h z e h n d e r - t - 涉仪。 m a e h - z e h n d e r 干涉仅的两臂长度相差2 m m ，左臂用压电陶瓷p z t 线性地调 节，右臂上有一个偏振态控制器来协调来自两臂的光波偏振态，以便在汇合时 发生干涉。当线性调节左臂臂长时，m a c h - z e l m d e r 干涉仪输出一个强度周期性变 化的干涉信号。当光纤光栅的应变变化时光纤光栅反射的布拉格波长将会移 动，周期- 陛变化的干涉信号的相位也将发生变化，而且相位的变化量与布拉格 波长的移动量成线性关系。对于图2 6 中光纤光栅g l 和g 2 首尾相接的情况，探测 器探测到的是来自两个光纤光栅的干涉信号的混频信号。 两个光纤光栅的直径不同导致了两个干涉信号的相位变化不同，而混频信 号的幅值取决于这两路干涉信号的相位差。可以测量出波长移动总量，然后从 信号幅值大小得出应力大小。这个测量方法的测量分辨率在0 6 n m 波长变化范 围内为1 2 p m 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 光纤光掘传感器在结构健康监测中的应用 1 9 8 9 年美国布朗大学( b r o w nu n i v e r s i t y ) 的门德斯( m e n d e z ) 等人首先提 出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性，光纤光栅传感器 于1 9 9 0 年首次埋入环氧纤维复合材料中以及1 9 9 2 年首次埋入混凝土粱中，之后， 美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等发达国家，纷纷将光纤传感技术应 用在桥梁、大坝、管线、隧道、矿厂、天然气压力罐、建筑物以及道路等基础 结构的力学参数测量、状态监测中。其中，桥梁、大坝等大型基础设施的安全 健康监测中的应用，取得了令人鼓舞的进展f l ”。 加拿大的r o t e s t 公司研制的白光法布里珀罗光纤传感器就是其中一例，该公 司将这种传感器用于桥梁结构中的应力、应变、结构振动、结构损伤程度、裂 缝的发生与发展等内部状态的检测，取得较好的测试结果。这种基于白光干涉 的光纤传感器，具有很高的精度和重复性。可安装在材料或建筑物的表面或埋 入其内部，连续地对诸如应变、应力、位移、裂缝、孔隙压力、温度等状况进 行监测。 此外，世界各国还有多家企业及实验室从事这方面的研究【2 2 2 ”。其中加拿 大在1 9 9 3 年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通 后连续监测了八个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论 处理数据，准确而又快速地评估了桥梁的使用状态及寿命；而多伦多大学灵巧 结构实验室的a l a v i e 等人用布拉格光纤光栅传感器测量了加拿大b e d d i n g t o n 大桥 的应力。1 9 9 7 年，美国的佛丝特米勒公司也用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浏系统。美国的维蒙特大学与美国