（测试计量技术及仪器专业论文）缠绕式光纤应变传感技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着经济的发展，改善人们的工作和生活条件成为当前的紧迫任务， 因而发展智能建筑己被提上日程。在材料和结构的制作过程中，将传感元 件和驱动元件埋入其中。传感元件可对结构的状态参数，如应力、应变、 温度、损伤程度等，进行实时测量和监控；驱动元件则根据需要对结构的 状态做出必要的调节或控制，由此保证结构安全运行并始终工作在最佳状 态。光纤应变传感器可以改进传统电测手段的缺点和局限性，并且具有属 于自身的优良属性，所以在应变分析和工程结构安全监测等领域得到了广 泛的应用。 本文在分析研究了现有的光纤应变传感技术的基础上，提出了基于光 时域反射技术的缠绕式光纤应变传感系统。论文的主要研究内容如下：对 缠绕式光纤应变传感系统的光纤损耗进行了理论分析，并建立了光纤缠绕 损耗的数学模型；设计了一种基于光纤螺旋缠绕方案的分布式光纤应变实 验测量系统，并对影响光纤螺旋缠绕传感过程中产生的初始光损耗因素进 行了理论和试验研究，得到了相应的关系曲线；对传感光纤的要求、光纤 上传感点的布设方案以及最大传感点数目的估算等问题进行了分析研究； 实验研究了缠绕直径、缠绕螺距的变化对光纤传感灵敏度的影响，并对传 感器的重复性进行了实验。 研究结果表明，所设计的光纤应交传感系统具有良好的线性度和重复 性，从而为其在土木工程中的使用提供了理论基础。 关键词缠绕式光纤应变传感器；光纤弯曲损耗；初始损耗；分布式光纤传 感：光时域反射计 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , i m p r o v e m e n to fp e o p l e sw o r k i n ga n d l i v i n gc o n d i t i o n si sau r g e n c ya s s i g n m e n t s od e v e l o p i n gi n t e l l i g e n tb u i l d i n g s i sc o n s i d e r e dn o w w ec a ni m b e ds e n s o re l e m e n t sa n dd r i v e e l e m e r i t si nt h em a t e r i a la n da r c h i t e c t u r ew i t hi t sp r o d u c t i o n n l cs e n s u r e l e m e n t sc a nm e a s u r ea n dm o n i t o rt h es t n l c t u r e ss t a t ep a r a m e t e rr e a l - t i m e ， s u c ha ss t r e s s s t r a i n ，t e m p e r a t u r ea n dd a m a g e a n dd r i v ee l e m e n t sc a r lr e g u l a t e a n de o n t r o lt h es t r u c t u r e ss t a t e t h e nt h e yc a na s s u r et h es t r u c t u r e ss a f e t y o p e r a t i n ga n dk e 印t h es t r u c t u r ei nt h eb e s ts t a t ea l lt h et i m e f i b e r - o p t i cs t r a i n s e n s o rc a nm o d i f yt h ec l a s s i c a le l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t sd e f e c t sa n dl i m i t a t i o n s a n dh a v ei t sg o o da t t r i b u t e s ，s oi tg e t sae x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt e s t i n g m e t h a n e s ，s t r a i na n a l y s i sa n ds a f e t yd e t e c t i o no f t h es t r u c t u r e b a s e do i la n a l y s i so fd o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d ya c t u a l i t i e so nf i b e r - o p t i c s t r a i ns e n s o r - b a s e ds y s t e m , an e ww i n d i n gf i b e r - o p t i cs t r a i ns e n s i n gt e c h n i q u e b a s e do no t d ri sp r e s e n t e d 1 1 l em a i n l yr e s e a r c hc o n s e n t so f t h ep a p e ra r e 硒 f o l l o w s ：w ea n a l y z et h ef i b e r sl o s so ft h ew i n d i n gf i b e r - o p t i cs t r a i n s e n s o r - b a s e ds y s t e mi nt h e o r y , a n de s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e w i n d i n gf b e r o p t i c s l o s s w ed e s i g nad i s t r i b u t e df i b e r - o p t i cs t r a i n m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e dt h ew i n d i n gs c h e m e ，a n dr e s e a r c ht h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so ft h ei n i t i a ll o s sg e n e r a t e di nt h ef i b e rs p i r a lt w i n e ds e n s i n g p r o c e s s i nt h e o r ya n de x p e r i m e n t t h e nw eg e tt h er e l a t e dc u i v c s w ea l s oa n a l y s i st h e p r o p e r t yr e q u i r e m e n to fs e n s i n gf i b e r - o p t i c ，t h es e n s i n gs p o t s l a y o u tp r o g r a m a n dt h ee s t i m a t i o no f t h em a x i m a ln u m b e r t h ee x p e r i m e n t ss t u d yt h ed i f f e r e n t w i n d i n gd i a m e t e r sa n dt h r e a dp i t c h e s e f f e c to nt h ef i b e r - o p t i c ss e n s i n g s e n s i t i v i t y , a n dw eo p e r a t et h ee x p e r i m e n to n t h es e n s o r sr e p e a t a b i l i t y t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g n e df i b e r - o p t i cs t r a i ns e n s i n g s y s t e mh a st h eg o o dl i n e a r i t ya n dr e p e a t a b i l i t y , a n dp r o v i d e st h et h e o r e t i c a l a b s t r a c t b a s i st ot h ea p p l i c a t i o ni nt h ec i v i le n g i n e e r i n g k e y w o r d sw i n d i n gf i b e r o p t i cs t r a i ns e n s o r ；f i b e rc u r i n gl o s s ；i n i t i a l l o s s ；d i s t r i b u t e df i b e r - o p t i cs e n s i n g ；o p t i c a lt i m ed o m a i n r e f l e c t m e t e r ( o t d r ) i l l 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文缠绕式光纤应变传感技 术的研究，是本人在导师指导下，在蕉山大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字张付忌 日期：知铲j ；月弓日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 缠绕式光纤应变传感技术的研究系本人在燕山大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所 有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全 了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山 大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：魏对瑟日期：如巧年1 1 月弓日 导师签名：匏吼酬年1 1 月弓日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 光纤技术是一门新兴的光学技术。自1 9 7 0 年美国康宁玻璃公司制成2 0 d b 段m 的光纤以来。以光纡作为信息传输介质的光纤通信褥到了广泛的重视 和发展【l 】。随着光纤通信的应用，光纤工艺和技术得到了突破性的发展，光 纤被大量应用于传递图像和检测技术方面，主要是用于传递远距离和难以 接收的信号。 在7 0 年代中期，人们开始意识到光纤本身可以构成一种新的直接交换 信息的基础，无需任何中间级就能把待测量和光纤内的导光性能联系起来， 光纤的许多性质可用于探测各种物理量，因而光纤传感技术引起了广大科 技工作者的极大重视，成为目前科学研究的前沿课题之一。 传感器是采集自然界各种数据的一种工具，是信息技术的核心技术之 一。传统的传感器是以被测量电量为基础，以电信号为转换及传输的 载体，用电导线传输电信号。因此，在使用时受到环境的限制，如环境湿 度太大可能引起短路，高温、易燃、易爆环境中使用易引起火灾等等。光 纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。 以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术。 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。 在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。 光纤技术主要应用在以下几个方面；光的传输，用光纤传递光波的能 量；视觉信号的传输，用光束传递图像；光纤通讯，用光纤作通信介质来 传输载波调制的光强信号：光纤传感用来测表征光波特征的参量( 振幅、相 位、偏振态、波长和模式等) 在传播中随着外界因素( 如温度、压力、电流、 磁场、转动等) 的变化；光纤的非线性特性应用，在较强的输入光功率作用 下，光纤会产生非线性效应，发生光增益、频率转换及其它作用。 作为被测信号载体的光波和作为光波传输媒介的光纤，具有一系列独 特的、其它载体和媒介难以比拟的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电 】 燕山大学工学硕士学位论文 磁干扰，易被各种光电探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易 与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。光纤的许多物理特性，如双 折射、偏振特性、传播常数、衰减等会随着外界因素的变化而变化。结合 新型光学材料的物理特性，如透光性、声光效应、应力应变效应、电致伸 缩效应、法拉第磁光效应及其它材料的物理特性，可用光纤制成种类繁多、 功能各异的传感器。可用于测量温度、压力、应变、位移、振动、磁场、 速度、声场、电流、电压及辐射等上百种物理量，这些物理量分布在工业、 农业、科研、国防、建筑、环境、航天航海等不同的领域1 2 】。如桥梁或大型 建筑结构安全监测系统中动态应变、温度、加速度等物理量【”】；电力系统 的发电、输电、变电、配电等各个阶段必须进行的计量、控制、保护、监 测和维护等电量。可以说，光纤传感器能完成绝大多数传统传感器所能完 成的对各种物理量、化学量和生物量的测量，此外，在高温、高压、防爆、 强腐蚀、强辐射等一些特殊的环境下，它还能完成传统传感器无法完成的 测量工作。 1 2 光纤传感器的分类 光纤传感器可从光纤的作用、信号调制方式及被测对象等不同角度分 类。从光纤作用角度可分为非功能型传感器和功能型传感器【6 - 8 1 。非功能型 传感器中光纤仅起到传光的作用；而功能型传感器中光纤既起到传光的作 用又起到传感的作用。在目前开发的高精度、高分辨率及结构小型化的传 感器中多以功能型传感器为主。从光信号调制方式角度分类，主要有光强 调制型、偏振调制型、频率调制型和相位调制型【9 1 。 ( 1 ) 光强调制型光纤传感器这是一种利用被厕对象的变化引起敏感元 件的折射率、吸收或反射等参数变化，而导致光强度变化来实现敏感测量 的传感器。常见的有利用光纤的微弯损耗、各物质的吸收特性、振动膜或 液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发 光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、 位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。这类光纤传感器的优点是结构 简单、容易实现、成本低；其缺点是受光源强度的波动和连接器损耗交化 2 第1 章绪论 等的影响较大。在一般工程测量中因结构简单、测量范围大而应用较广， 而在对测量精度要求较高的场所则采用相位和偏振调制。 ( 2 ) 偏振调制型光纤传感器这是一种利用光的偏振态变化来传递被测 对象信息的传感器。常见的有利用光在磁场中媒质传播的法拉第效应做成 的电场、电压传感器1 1 0 】；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感 器：以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动【l l 】等传感器。这类传 感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高；缺点是成本高，级联 困难。 ( 3 ) 频率调制型光纤传感器这是一种利用由被测对象引起的光频率的 变化来进行监测的传感器。通常有利用运动物体反射光和散射光的多普勒 效应的速度、流速、振动、压力、加速度光纤传感器；利用物质受强光照 射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及 利用光致发光的温度传感器等。 “) 褶位调制型光纤传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的 作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生交化，而导致光的相位变化， 然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。由于测试装置 的结构和原理不同，相位调制型传感器又有迈克尔逊干涉型、马赫一曾德 尔干涉型及法布里一珀罗干涉型传感器，此外还有利用相位关系检测的布 喇格光栅型、模问干涉型等。这类传感器的灵敏度很高，但由于须用特殊 光纤及高精度检测系统，因此成本高。 1 3 光纤应变传感器概述 1 3 1 光纤微弯应变传感器 光纤承受压力后会改变弯曲度，使得通过光纤中的一部分光产生散射 损耗【1 2 4 4 】。实际上光纤微弯后的影响因素很复杂，如它的折射率、断面形 状、光轴都将产生变化，同时还要产生双折射现象，引起数值孔径的变化。 为了适合埋入复合材料中使用，可以采用光纤本身纵横交错排列的方法， 利用光纤本身的尺寸制成光纤微弯传感网络 1 5 j 6 。也可用两根光纤紧密绞 合的传感元件，利用它可以做成智能结构中的测量应变的传感器 1 7 , 1 研。两 3 燕山大学工学硕士学位论文 根光纤沿着长度均匀的弯曲，光通过时部分因散射产生损耗，当它承受 应变时，绞合光纤曲率减小，损耗也就减小，从而可以根据光强度的损耗 来确定应变值。随着近些年研究的深入，证实了光纤微弯传感器在许多方 面都可以得到应用 1 9 - 2 1 】。 1 3 。2 偏振型光纤应变传感器 图1 1 所示的是一个偏振型光纤传感器在测量微弯应变的系统中的应 用，从中我们可以看到偏振型光纤传感器的基本结构。 1 4 波片透镜透镜 光准置嚣 检偏嚣 图卜1 偏振型光纤应变传感器 f i g 1 - 1 p o l a r i z e df i b e r - o p t i cs t r a i ns e n s o t 它采用激光管作为光源，通过1 4 波片、光学准直器、透镜聚焦后进入 光纤，当敏感源出现应变后，将使光纤产生变形并改变纤芯的折射率，从 而改变在光纤中传播偏振光的相位。光纤出口处的光相位发生改变，通过 透镜、检偏镜、光敏管，可检测出这种改变量，从而确定敏感源的应变值。 1 - 3 3光纤布喇格光栅应变传感器 光纤布喇格光栅的制作与应用是近年研究的热点 2 2 - 2 4 。光纤布喇格光 栅是在光纤上应用特殊技术制作成纤芯折射率周期变化的一段光纤。光通 过光栅时，由于纤芯折射率的周期性变化而产生反射口5 1 。一般来说，除了 满足布喇格波长条件的入射光外，其它光波均被滤掉。光栅的布喇格波长 为 砧= 2 n 。a( 1 1 ) 式中， 为折射率变化的周期：聍。为纤芯的有效折射率。当 和, 。中任一 发生变化时都将引起光栅波长的移动，即 4 第1 章绪论 “圳( 蚶吃等) “( 鲁+ 等 m ：， 由式( 1 2 ) 知，当光纤长度方向上产生应变时，使以和n 。产生变化，导 致光纤布喇格光栅反射波长改变，从而可以通过检测九。的变化量来求得 待测应变量。 1 3 。4 迈克尔逊干涉型光纤应变传感器 迈克尔逊光纤应变传感器的原理结构如图1 - 2 所示1 2 们，光源s 发出的光 经分光镜后分成两路，一路经透镜l 2 耦合进入光纤构成参考光，另一路经 透镜l 1 耦合进入光纤构成信号光，被测表面变形使传感光纤长度发生变化， 则光在光纤内部传输时的相位发生变化。光纤的端面都均匀的镀了一层反 射膜，两束光被反射后反向传输，当它们相遇时发生干涉，干涉光的相位 差由被测面的应变决定，即干涉光强受到被测试件的应变的调制。干涉光 信号经光电管接收转换成电信号，通过对光信号的相应的处理我们就可以 得到相应应变的大小。 l l 测量臂 参考臂 图1 - 2 迈克尔逊光纤应变传感器 f i g 1 2 m i c h e l s o nf i b e r - o p t i cs 仃a i ns e f l s o r 这种传感器的特点其一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，因此基 本上不受环境变化的干扰；其二是光的发射与接收在同一侧，属于单端操 作，使用时既可以放在被测试件的内部形成智能材料1 2 7 1 ，也可以粘贴在被 5 燕山大学工学硕士学位论文 测试件的外部【2 8 1 。这种装置在h e - n e 激光器的红光情况下，可以检测到 0 6 3 x 1 0 “m 的变化量【2 9 1 。 1 3 5 马赫一曾德尔型光纤应变传感器 马赫一曾德尔光纤应变传感器与迈克尔逊干涉型结构相似，都是由两 根光纤( 双臂) ：信号光纤和参考光纤组成，如图1 - 3 所示。 图1 3 马赫一曾德尔光纤应变传感器原理图 f i g 1 - 3 m a c h - z e h n d e rf i b e r - o p t i cs t r a i ns c d s o i 光源发出光后经光纤耦合器1 分路至参考光纤和信号光纤。信号光纤中 的光信号在传输过程中受到被测信号调制成为信号光；参考光纤的光不经 过调制直接作为参考光。两束光再次相遇时发生干涉形成干涉光，此干涉 光经光电转换变为与被测信号成比例的电信号。 马赫一曾德尔型与迈克尔逊干涉型不同点在于：( 1 ) 信号光纤在被测环 境中，而参考光纤在其它环境中；( 2 ) 光的发射与接收在传感器的两端，属 双端操作。 这种传感器于8 0 年代被广泛研究，研究结果表明这种应变传感器的优 点是灵敏度高，且由于它提供两个输出信号，从而能避免向激光腔的光反 馈，所以应用十分广泛，在地下水管泄漏的测量上【3 0 l 发挥着很大作用。但 它也具有两个缺点：其一是它所用的结构光纤较多，使用和安装都较麻烦； 其二是它需要一个参考臂，而一般情况下它不和测量光纤安装在同一位置， 这就使输入输出臂不对称，从而导致测量的不稳定。另外环境对这种应变 传感器影响较大，从而限制了它的应用。 6 第1 章绪论 1 3 6 法布里一珀罗光纤应变传感器 法布里一珀罗光纤应变传感器的特点是利用单根光纤制作多束光干涉 来检测应变，它比迈克尔逊型更适合于低频率应变信号的测量。因此这种 传感器从8 0 年代诞生以来一直是主要的开发和研究对象1 3 1 ，2 1 。法布里一珀 罗应变仪可分为内、外两种，如图1 - 4 所示。当光纤中的光遇到两反射镜后 分别产生两束反射光( 幅度分别为4 ，a ) ，这两束反射光相遇后产生干涉。 干涉腔腔长由于应变而发生变化，两反射光的相位差( t o ) 也随之变化，光 电探测器接受到的光强为 ，= 群+ 鬈+ 2 a l - 4 2c o s 中)( 1 - 3 ) 另外有4 西细= 越肛，因此，光电探测器输出的电信号随应变的变化而变 化。 图1 4 法布里一珀罗光纤应变传感器不意图 f i g 1 - 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f f a b r y - p e r o tf i b e r - o p t i cs t r a i ns e n s o r 这种传感器充分体现了光纤质轻、易变形的特点，因此适合于疲劳度 测量、悬梁弯曲应变测量和构成智能材料等应用 3 4 , 3 钔，还可以应用在监测 混凝土结构在养护期的热应变和温度、结构内部应力应变、结构的振动参 数、裂缝宽度和结构整体性估计等方面也有广泛应用3 6 1 。随着研究的不 断深入，近年来又出现了双法布里一珀罗腔f 3 7 l 应变测量，它可以方便的测 量加载方向，具有实用价值。这类应变传感器的缺点是制作工艺难度较大， 如光纤端面镀反射镜的加工、传感头中带有反射镜的光纤与光纤的连接等 问题。尽管如此，它们仍是最有希望被广泛应用的光纤应变传感器。 1 3 7 模间干涉型光纤应变传感器 模间干涉型光纤应变传感器是近些年出现的新型传感器，它利用光纤 中不同模式的光信号因传播速度不同而产生相位差的原理来实现被测信号 7 燕山大学工学硕士学位论文 的检测。设两个不同模的传播常数分别为卢。和卢。， 则光通过长为工的光纤后相位差为 中。= p 。上 模问相位差的变化为 传播常数之差为卢。， ( 1 4 ) 中w = p w 三+ 工4 p 神( 1 - 5 ) 典型结构如图1 5 所示。它的特点是仅需要一根光纤，光路简单，对光 源的要求不高，但这种传感器需要的电信号处理电路比较复杂，要求在多 种信号中选出所需要的信号。 授铡场双模高双折射光纤 图1 5 模间干涉型光纤应变传感器示意图 f i g 1 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o d e i n t e r f e r e n c ef i b e r - o p t i cs t r a i ns e n $ o r 1 4 光纤应变传感器的特点 光纤应变传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号。 它的优点是： ( 1 ) 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全【3 8 】。由于光纤应变传感器 是利用光波传输信息，而光纤是由石英玻璃制成的，是一种绝缘体，且耐 高压、耐腐蚀，不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且可靠安全。 这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、 强腐蚀的环境下方便而可靠工作； ( 2 ) 光纤为无源器件，对被测对象不产生影响； ( 3 ) 光纤体积小，重量轻，可做成任意形状的传感器阵列，有利于航空、 航天以及狭窄空间的应用； 8 第1 章绪论 ( 4 ) 成本低； ( 5 ) 便于复用成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网 络； ( 6 ) 光纤应变传感器具有极高的灵敏度和分辨率，这是普通传感器所无 法比拟的。 1 5 光纤应变传感技术在土木工程中的应用 目前遍布全世界的各种土木工程结构中，由于材料的老化、过载、缺 乏适当的维修和合适的检查等，如果是地下结构还面i 临着地下复杂的地质 条件影响，许多结构已经退化损坏，因而对土木工程结构的健康监测的重 要性日益突出【3 9 , 4 0 l 。采用光纤作为结构内部相关信息的采集和反馈的中介， 真正应用到土木工程领域中目前正处于起步阶段【4 ”。 传统的土木工程应变测试一般采用在试件表面粘贴电阻应变片或者预 埋钢弦式传感器的方法，这类方法是将机械量转换为电量的种应变测试 方法。 电阻应变片在粘贴后和预埋入混凝土结构中时，电绝缘的好坏直接影 响着测试精度；而绝缘电阻的大小和粘贴工艺、电阻应交片的基底材料以 及介质的侵蚀程度等有很大关系。而钢弦式应变测试仪因钢弦应力损失的 时间效应影响测试精度。 光纤传感器与传统应变片、压电晶体等电类传感器以及与射线、超声 波、声发射等无损检铡仪器相比，在对土木工程状态的测量方面具有独特 的优点。 1 9 8 9 年，美国b r o w nu n i v e r s i t y 的m e n d e z 等人首先提出了把光纤传 感器埋入钢筋混凝土结构中，并提出了实际应用中的一些基本设想1 4 2 1 。此 后美国、加拿大、英国、德国、日本的大学研究机构相继投入大量的人力、 物力从事光纤传感技术在土木工程结构和混凝土构件中的应用的基础研 究： n a n n i 等【4 习通过试验测量了水泥柱体内部的压应变。把光纤平行于外 载荷方向埋入试件中，测量光传过双折射光纤的两个偏振光成分之间的干 9 燕山大学工学硕士学位论文 涉。同样，把光纤垂直于外载荷埋入，仍使用偏振光纤，应力作用于光纤 引起两个垂直偏振光模态间的相位不同而产生干涉。 双折射效应也用来测量混凝土柱的内部应变。t a r d y 等研制了一种光 纤传感器h 4 】，它是用未包层的低折射单模光纤，用两条金属板条压制在一 起，外载荷作用于板条就会引起光纤双折射。这种传感器无需特殊埋设， 直接把1 4c m 长的传感器埋入混凝土试件，受压试验中光纤传感器的响应 显示了一相对大的双折射，从所测结果来看，它具有高灵敏度，并且与理 论上基本一致。这种技术也用于公路上测量交通工具的重量。 e s c o d e r 等】在混凝土梁的三点弯曲试验中，将单模光纤传感器粘贴 于梁表面和埋入梁内，使用干涉计技术测量其应变，所得结果显示，在不 改变正常浇筑情况下，将光纤埋入混凝土构件的可行性，所得传感器的响 应具有良好的线性关系，而浇筑后，所测光纤的响应也没有衰减。也就是 说用四氟乙烯包层的光纤在埋设5 年后，在混凝土内并无显示出不利的衰 化效应。 k r u s c h w i t z 等m 】阐述了使用外置式f a b r y - p e r o t 光纤干涉计贴于和埋入 混凝土试件中。将两根光纤放在玻璃细管内，使光纤的端部的任何位移 都会使间隙的距离发生变化，那么就可以测量出间隙中频谱移动的干涉条 纹。把这种类型的传感器埋入混凝土梁内，分别放置于水泥区和贴近钢筋 的区域，在外载荷作用下，水泥区和钢筋区的所测应变大约有5 的差别， 这个差别是由几个因素造成的，如传感器与混凝土间的错动，排列不平行 或试验误差。此外，由环氧树脂包层的类似传感器，放置于混凝土桥梁的 桥面下部，用来测量移动的车辆在整个跨长不同点上所产生的应变。 h u s t o n 等即坡用埋入式多模光纤( 分别使用塑科套简和不使用) ，测试 了混凝土梁从加载到破坏的试验，把在光纤中传播的光强度作为外载荷的 函数，试验结果显示，直到加载到光纤断裂之前，光强度实际上没什么变 化。根据这点，建立了光强与两根光纤端部轴向距离损失的函数。此外， 发现无包层的光纤在凝固过程中易于断裂。 b o c k 等提出了用光纤埋入混凝土和土壤的飞行跑道上，检测其应力分 布。1 9 9 2 年，f u h r 和h u s t o n 等1 4 ，】在美国佛蒙特州w i n o o s k i 河上的一个 l o 第1 章绪论 1 7 5 万千瓦的水电站工程中，将l o 个多模光纤传感器埋入1 5m 高、1 6 0i d 长的大坝中，另外将光纤振动器置入水轮发电机。埋入大坝中的光纤传感 器采用光频域反射计技术来检测大坝的压应力，目前尚未见到试验结果报 告。 新泽西理工学院a n s a r i 等1 4 8 】人分别用多匝光纤和单模光纤测量混凝 土梁的裂缝和裂缝尖端张开位移以及混凝土内部缺陷的探测。 9 0 年代起，我国学者也开始探索光纤传感器在土木工程中的应用 4 9 - 5 1 。其中清华大学、哈尔滨工业大学、四川大学、重庆大学、北京理工 大学在这方面做了大量的研究1 5 2 - 矧。 1 6 本论文研究内容及意义 土木工程的健康监测是智能材料结构研究的一个基本方向，当结构的 载荷超过一定的设计要求时，就需要激活结构中的调整和修复系统，从而 保证结构的安全性和可靠性。如何确定危险部位及危险部位的受力状况是 采取防范措施的关键。但是到目前为止，尚没有一套有效、简便、廉价的 方案能长时间、不间断地获得混凝土内部应变的信息以及内部应变的分布， 并对过载部位进行较为准确的预警和定位。 本课题采取的是分布式光纤弯曲传感器，利用光线在光纤中传输时光 纤轴线弯曲变形时产生的传输损耗，借助光时域反射仪( o t d r ) ，测量向后 散射光强随时间的变化来定性的分析光损耗的变化情况，从而确定混凝土 结构内部的应变信息。 本文主要研究一种缠绕式光纤应变传感测试技术。该技术利用普通通 信用单模、多模光纤和光通信测试中的一种测试仪器一光时域反射计， 来实现应变的分布测试的目的。该方案具有传感元件价格低，并以最简单 的测试设备和传感系统来实现准分布测量。缠绕式应变光纤传感器与传统 的应变传感器相比，有以下独特的优点： ( 1 ) 使用价格便宜的光纤材料，可在大型结构应用中降低成本； ( 2 ) 光纤弯曲缠绕在钢丝上，能与钢丝的大变形相匹配，且不易断裂， 故它适用于结构的大应变测量，增加了工程的实用性、可靠性； 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 细钢丝与基质复合材料兼容性好，不但不会降低材料强度，反而增 加了材料刚度，并提高传感器的灵敏度； ( 4 ) 传感器表面凹凸不平，埋入材料内可加强与基质材料的粘合力； ( 5 ) 对不同材料和结构，调节光纤缠绕螺距、缠绕匝数和钢丝的几何参 数可灵活改变传感器的灵敏度和初始光损耗。 本文主要对以下几个问题进行了研究： ( 1 ) 阐述了光时域反射测量系统的理论基础和测量系统原理，并分析了 光时域反射计的主要技术指标； ( 2 ) 设计了一种缠绕式光纤应变传感器，分析研究了传感光纤的性质以 及传感器各参数的确定依据； ( 3 ) 建立了缠绕式光纤应变传感器的物理模型，对缠绕段光纤进行了受 力分析，并定性分析拉伸过程中缠绕段光纤的光损耗变化情况； ( 4 ) 研制了一种缠绕式光纤应变传感测量装置，并对缠绕式光纤传感器 进行了性能实验研究； ( 5 ) 进行了在土木工程中实用化的研究，为系统的实用化提供了基础。 1 2 第2 章光纤应变传感器的理论基础 第2 章光纤应变传感器的理论基础 光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常 是圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其 界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传输特性取决于它 的结构参数，这些结构参数将决定光信号在光纤中传播时所受到的影响。 光纤的结构基本确定了它的信息承载容量，并影响光纤对周围环境微扰的 影响。 光纤的基本结构是两层圆柱状媒质，内层为纤芯，外层为包层，纤芯 的折射率比包层的折射率以，稍大。单根光纤结构图如图2 1 所示。纤芯 和包层为光纤波导结构的主体，对光波的传播起着决定作用；涂覆层主要 是用于隔离杂光，提高光纤强度，保护光纤。 图2 1 单根光纤结构图 f i g 2 1 s t r u c t u r a lg r a p ho f s i n g l ef i b e r - o p t i c 纤芯材料主体为二氧化 ( s i o ，) ，含量达9 9 9 9 9 ，其中掺杂极其微 量的其它材料，如二氧化锗( g e o ：) 、五氧化二磷( p 2 0 ，) 等，以提高纤芯的 光学折射率。包层为紧贴纤芯的材料层，其光学折射率稍小于纤芯材料的 折射率。根据需要，包层可以是一层，也可以是折射率稍有差异的二层或 多层。包层材料一般也是二氧化硅，但其中微量掺杂物一般为三氧化二硼 或四氧化二硅，以降低包层的光学折射率。涂覆层的材料一般为硅酮或丙 稀酸盐，用于隔离杂光。在实际使用中，涂覆层外面还有一层护套，材料 一般为尼龙和其它有机材料，用于进一步增加光纤的强度，保护或减缓因 小的几何不规则、变形和表面粗糙所造成的机械损伤。有的光纤还有更复 杂的结构，以满足使用中不同的要求。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 光波在光纤中传播时由于受到光纤纤芯边界的限制，其电磁场的解是 不连续的，把这种不连续的场解称为模式。光纤分类的方法有很多种，按 传输的模式数量多少可分为单模光纤和多模光纤：把只能传输一种模式光 的光纤称为单模光纤；而把能同时传输多种模式光的光纤称为多模光纤。 单模光纤和多模光纤的主要差别是其纤芯的尺寸和纤芯一包层的折射率差 值的不同。多模光纤的纤芯直径大( 2 a = - 5 0 5 0 0 m ) ，纤芯一包层折射率差 大( 4 = ( 挖1 一胛：) 一= o 0 1 o 0 2 ) ；单模光纤纤芯直径, b ( 2 a = 2 - 1 2g m ) ，纤 芯一包层折射率差也小( a = o 0 0 5 0 0 1 ) 。 按纤芯折射率分布的方式不同光纤可分为阶跃射率光纤和梯度折射率 光纤。前者纤芯折射率是均匀的，在纤芯和包层的分届面处，折射率发生 突变( 或阶跃) ；后者纤芯折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距离 而变化。 按传输的偏振态，单模光纤又可以进一步分为非偏振保持光纤和偏振 保持光纤。其差别是前者不能传输偏振光，而后者可以。保偏光纤又可以 再分为单保偏光纤、高双折射光纤、低双折射光纤和圆保偏光纤4 种。只 能传输一种偏振模的光纤称为单偏振光纤；只能传输两正交偏振模式、且 传播速度相差很大者为高双折射光纤；而其传播速度近于相等为低双折射 光纤；能传输圆偏振光的称为圆保偏光纤。 按制造光纤的材料来说，光纤可以分为 5 5 1 ：( i ) 高纯度熔石英光纤，其 特点是该材料的光传输损耗低，有的波长可低到o 2 d b k m ，一般均小于 ld b h n ；( 2 ) 多组分玻璃光纤，其特点是芯一皮折射率可在较大范围内变 化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一 般为1d b 虹l ；( 3 ) 塑料光纤，其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度 性能较差；( 4 ) 红外光纤，其特点是可透过近红外段( 1 - 5 岫】) 或中红外段 ( 5 1 0 岬) 的光波；( 5 ) 液芯光纤，其特点是光纤纤芯为液体，因而可以满足 特殊的需要；( 6 ) 晶体光纤，其特点是光纤纤芯为晶体，可用于制造各种有 源和无源光纤器件。 光纤的损耗包括吸收损耗和散射损耗。由于本文所研究的强度调制型 光纤传感器是以普通通信光纤作为敏感元件的，因此下面将主要讨论普通 1 4 第2 章光纤应变传感器的理论基础 通信光纤的散射损耗。 2 1 光时域反射原理 2 1 1 光纤的散射效应 光的散射现象是指当光通过不均匀介质时会向各个方向传播的现象。 当光纤在线性条件下传输时，会产生瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。 瑞利散射现象的散射光与入射光的频率相同，而后两种散射光中有新的频 率成分出现，不同于入射光的频率。当光纤中传输的光强超过一定值时， 会产生受激瑞利散射、受激布里渊效应和受激拉曼效应等非线性受激散射， 这时光信号中有新的频率成分出现肛”。 光纤中材料的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及制造过程 中产生的缺陷都会引起散射损耗。石英玻璃是由随机连接的分子网格构成 的，这种结构自己就会产生分子密度的不均匀，有的区域高些，有的区域 低些。另外，由于石英玻璃是由好几种氧化物组成，因此有可能发生成分 的起伏变化。上面两种因素导致石英光纤内部的折射率在比波长小的尺度 上发生变化，这种折射率的变化引起了瑞利散射【翊。与石英光纤中的瑞利 散射一样，太阳光在地球上的大气中产生瑞利散射，才使晴朗的天空看起 来是蓝色的。结构上的不完善以及光纤制造过程中产生的缺陷同样也会造 成光的散射，这些缺陷可能是残留在光纤中的气泡，也可能是尚未发生反 应的原材料，或是玻璃中的结晶区域。现在光纤制造工艺的发展已经可以 使这些附加的散射作用足够小，小到与其本征瑞利散射相比时可以忽略不 计的程度。另外，多模光纤的损耗通常都要大于单模光纤，这是因为多模 光纤中掺杂物的浓度较高，伴随着的是较高的散射损耗。另外还有一个原 因，包层和纤芯的分界面上存在微扰，多模光纤易产生高阶模式损耗。 散射中最重要的一种损耗是瑞利散射损耗i ”】。当激光脉冲在光纤中传 输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射。光的瑞 利散射是分子弹性散射，光子与物质分子发生作用时并不产生能量交换， 由此产生的散射光的频率( 或波长) 与入射光的频率( 或波长) 相同。瑞利散射 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 各向同性，只有向后且在光纤可传输范围内的光即瑞利后向散射光可传到 光注入端。瑞利后向散射光是由光纤材料折射率的变化引起的，如果光纤 某处存在缺陷或因外界干扰而引起微弯，则瑞利后向散射光强在该处就有 一定的衰减，通过测量沿光纤各点的瑞利后向散射光的光功率的大小就可 以得到光纤的损耗分布特性。它是一种光频率保持不变的线性散射损耗。 瑞利散射损耗存在于光纤中各个方向，其损耗与1 成正比。 瑞利散射系数a ，一般可由下式计算【5 9 l o 一3 a ，= 罢等r n s p 2 七邛。( 2 1 ) j 式中，a 为入射光的波长；行为纤芯折射率：p 为光弹系数；k 为玻尔兹 曼常数；r 是固化温度；卢。为等温压缩率。 瑞利散射损耗还与下列因素有关：( 1 ) 材料的组分。瑞利散射对材料组 分十分敏感。例如，在二氧化硅中掺入少量的五氧化二磷，将大大减小瑞 利散射。如果在掺入的五氧化二磷的同时掺入较少二氧化锗的成分，以保 持原来的折射率差，则瑞利散射将得到进一步的降低。( 2 ) 光纤的相对折射 率差的值越高，瑞利散射损耗也就越大。 由于背向瑞利散射的光功率与散射点的入射光功率成正比，因此测量 沿光纤轴向返回的背向瑞利散射光功率就可以获得散射点处的光强信息。 光纤中返回光脉冲注入端的后向瑞利散射光光强公式可表示为 p ( t ) = f g 2 ) e o s ( t ) a ( t ) e x p - a ( t ) c g 妇 ( 2 2 ) 这里，假定光纤性质均一，且忽略吸收。式中：t = 2 v c , ，即光脉冲 前沿从注入光纤到从光纤上l 点返回注入端所经历的时间，不同t 的对应 着传感光纤不同的位置；c g 为光纤中的光速；毛为注入光脉冲能量；s ( f ) 为后向散射因子；a ( f ) 为瑞利散射系数。 采用背向散射法对光纤损耗进行测量时，光电探测系统接收到的光信 号除了背向瑞利散射光外，还会有光纤始、末端端面以及光纤活接头处的 菲涅尔反射光。菲涅尔反射通常发生纤芯与空气之问的界面处，菲涅尔反 射原理如图2 2 所示。其信号强度与传输光的功率以及反射断面的状况相 关，一般较后向散射光强的多。对于来自光纤上处的菲涅尔反射，在光 1 6 第2 章光纤应变传感器的理论基础 源注入端测得的反射功率只犯) 为 p ( ) = r ，e o e 2 “ ( 2 3 ) 式中，l 为离光源注入端的距离；r 为光纤中l 处的菲涅尔反射系数：只 为注入光纤的光脉冲功率；a 为光纤衰减系数。 空气间隙 光纤1 光纤2 界面1界面2 图2 - 2 菲涅尔反射示意图 f i g 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f f r e s n e lr e f l e c t i o n 假设光纤的端面与光纤的轴线垂直且呈平面镜状态，此时，菲涅尔反 射系数r ，表示为 r = 0 。一刀。) 2 0 。+ ) 2 ( 2 4 ) 式中，f 。为光纤纤芯折射率；r 。为空气折射率。 2 1 2 光时域反射计的基本原理 光时域反射技术是用来对光纤通信中光纤电缆故障检测而创立的，用 于光学通信领域中评价光纤、光缆和耦合器的性能，问世子1 9 7 6 年。 光时域反射计是基于光脉冲在光纤中的传输效应来工作的