（机械电子工程专业论文）光纤光栅应变传感器的研制及应用.pdf

攘要 旋交是辛菪瓣与结构静霾要耱理特像，是检溺与蕊控匏重要参数。本文锌 对现有应变技术不能实现长期有效测璧的问题，提出了光纤光排成变监测技 术方案。结含国家建设的需要，研究和开发了光纤光栅应变传感器及其监测 系统，莠在国内首次将其大规模斑蔫予耩梁、建筑等霪大工程结构静长麓安 全监测。 本文在光纤b m g g 光栅理论研究基础上，着重对光纤光摊应变、温度传 感特性迸行了系统的分析，论证了光纤光栅用于应变测量的优越性。结含工 程结梅测量鹣要求，对健熬器戆籀容经、绩感拣缝、激交涮豢中豹滋疫补偿、 封装技术进抒了系统研究，提出了光纤光栅应变传感器的设计方法，并邋过 试验研究，研制了三种用干结构检测的光纤光栅应变传感器。进而对其监测 系统豹设诗、梅戒、传惑阏络豹饶纯、系统静添度亭 偿和溺瀣，臻场传惑器 的布设、保护工艺姆诸多熬要阅题进行了研究秘分析，并成功地3 l 蟹这一技术 应用到工程实践中。结果袭明：本文提出的光纤光栅成交传艨器的设计方法 霹行，研裁静凡种液交传感器，蒺有抗平挠能力强、爱敏度离、妖精稳是性 好的优点，非常适会用于火型工程结构废变状态的长期监测，具有广阕的应 用前景。 关键词：光纤b r a g g 光栅；应变；工糨结构；长期j l 矗测； 本文受蓬家巍科技8 6 3 谤粼硬( 2 0 0 2 a a 3 1 3 1 0 4 ) 炎麓 a b s t r a c t o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l s & s t r u c t u r ei s s t r a i n 。w h i c hi sa l s oa i le s s e n t i a lp a r a m e t e rf o rm e a s u r e m e n ta n dm o n i t o r i n g p r e s e n tt e c h n o l o g i e sh a v es o m ed e f i c i e n c i e s t h a tc a n tb ep u tt ol o n g - t e r m e 蕊c i e n tm e a s u r e m e n t t h i st h e s i sd e s c r i b e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o r m e n to f a f i b e rg r a t i n gs t r a i ns e n s o ra n dl o n g - t e r mm o n i t o r i n gs y s t e mt om e e t t h en e e d so f n a t i o n a lc o n s t r u c t i o n ，a n dt h es e n s i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e mw i l lb et h ef i r s tt o b em a s s a p p l i e dd o m e s t i c a l l y 攮l o n g - t e r m s a f e t ym o n i t o r i n g o fb r i d g e ， a r c h i t e c t u r ea n do t h e rc r i t i c a le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s t h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ff i b e rb m g gg r a t i n g s ， f o c u s e so nt h e s y s t e m a t i ca n a l y s i s o ft h es t r a i na n dt e m p e r a t u r e s e n s i n g p r o p e r t i e so f f i b e rg r a t i n g s ，p r o v e st h ep r i o r i t yo f t h ea p p l i c a t i o no f f i b e rg r a t i n g s 协s t r a i n m e a s u r e m e n t a c c o r d i n g t ot h es y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h e c o m p a t i b i l i t y , s e n s i n gp r o p e r t i e s ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n i ns t r a i nm e a s u r e m e n ta n d e n c a p s u l a t i o n ，t h es c h e m eo f f i b e rb r a g gg r a t i n g s t r a i ns e n s o ri sp u tf o r w a r da n d t h r e en e wt y p e so ff i b e ro p t i cb r a g gg r a t i n gs t r a i ns e n s o r s 嘴d e v e l o p e da n d t e s t e d d u r i n gt h ea p p l i c a t i o no f t h es e n s o r si nb r i d g e s ，a r c h i t e c t u r e sa n do t h e r c r i t i c a le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s w em 呔e s y s t e m a t i ca n a l y s i so nt h ek e yp r o b l e m s s u c ha st h ed e v i s eo ff b g l o n g - t e r ms t r a i nm o n i t o t i n gs y s t e m ，b a s i cs t r u c t u r e ， o p t i m i z a t i o no fs e n s i n gn e t w o r k ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na n dt e m p e r a t u r e d e t e c t i o no ft h es y s t e m ，s e n s o rd i s t r i b u t i o n ，a n dp r o t e c t i n gc r a l x t s r e s u l t ss h o w s t h a tt h es c h e m eo ff b gs t r a i ns 既a s o ri nt h i sp a p e ri sf e a s i b l e ，s e v e r a lk i n d so f s t r a i ns e n s o r sa r ed e v e l o p e dw i t hg o o da n t i - d i s t u r b a n c ea b i l i t y , h i g hs e n s i t i v i t y a n dl o n gd u r a b i l i t y , w h i c hc a nm e e tt h en e e d s o f l o n g - t e r mm o n i t o r i n go f c r i t i c a l e n g i n e e r i n g s t r u c t u r es t r a i nc o n d i t i o n sa n dh a saw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t s 。 k e y w o r d s ：f i b e rb r a g g g r a t i n g s ；s t r a i n ；e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ；l o n g - t e r mm o n i t o r i n g l i 壁堡堡三查堂堡主堂垡燕墨一 第一章绪论 1 1 大型结构应变监溯的意义 瘦交蘧材料与结构的霪要物理特性。结构簸测的前撼是从结构中提取能 爱唳终掏特征黪参数。最能反浃结 奄届聱特 蒌，便警结捻安全评价毒损伤定 位的怒应交信号，应变是熏要墨程结构鳃康监测最为重婺的参数乏一 近二十年来，我阑经济的快速发展也为建筑业的发展带来了契机，大型 缩构如桥梁、高层建筑、火坝、核电站等工程建设进入了前所未有的高潮时 羯。建筑结构钓多样纯稻复杂纯，带来了建筑结构z 程葶i 研、设计、施工、 然理裁管毽承乎豹全露握势，巍嫠动秘髭遴7 攘关产业煞发震。翳对，窀熬 安全可靠性已成为当今社会普逋关注的重大闯题。一般来说，大型建筑农建 成后最初几年的营运中。在活载和环境激励的麸同作用下。由于材料、结构、 施工等原因，结构的德移和应力随着时间的推移而有所改变；施工过程中形 戏戆不安全隐患会逐步暴瓣出来。营运中靛特大銎建筑突然镯溻翡事件溪冕 不鳞，已不再是毅闻，绘人民生命和国家财产造成了不强挽翻她重大援失。 同时给工程建设的管理人员、设计人员、施工人员、监理人员朔研究人员敲 确了警钟。开展欠鍪 建筑建成后的在线安盒监测工作，就是要通过对关键点 秘控制颧嚣鹃应力、疲交、变形、等燕要物瑾纛酌测重戳及结牵弩的渤力辛簪往 等模态参数来评佑结构的安全可靠性，及黠发珑阚越，以便采取耀斑魏鼓术 措施，防范于未然，对人民生命和国家财产负赞，把损失降低到最低限度， 绦证建筑安全可靠和长久j | 耐用。因此，对大型缩构成变，进行长期、实时、 恣线鉴测，搀具鸯+ 分懿鳌要意义。 1 2 常规监测手段和存在的主要阍题 在士木工程领域，对结构的应变梭测主要采用攀规的捡测警段，即电类 健感测爨技术，如电阻应变片、钢弦计等，它们虽在大型工程结构的施工质 量控篱l 及竣工验牧中樽蓟广泛应掰，识就对结构的长期、实时、在线监测而 言，则存在繁摄零不足。传统豹毫羧应交片蕊感元释静经能嘏在不断的提 高，作为钢结构的短期应变测量t 还悬能满足工程要浆螅；但其受环境影噙 较大，如电磁干扰、潮湿、化学腐蚀等都会使其零点发生长期漂移，因此长 期应变测试的结果会严重失真。在混凝土应力的测试中，短期观测可使用 电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出 信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦 丝长期处于张紧状态，蠕变现象十分严重，国产钢弦应变传感器的正常使用 期为3 年左右。总之，上述常规的电类传感检测手段存在传感元件寿命短， 测量易受环境影响、不能进行分布测量等缺点，因而均不能实现对重大工程 结构安全状态的长期监测。通过国内外同行的大量研究和实践，己将应变测 量锁定在光纤光栅传感技术上。 1 3 光纤光栅传感检测技术的特点及应用现状 国外工程实践表明f o 4 】：光纤光栅传感技术是继电测技术之后传感技 术发展的新阶段。光纤光栅传感器与传统的机电类传感器相比具有很多优 势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高 温等，而且因为它具有集成化、本征性、低成本的特点，能串接复用、通过 一根光纤能提供各种物理参量的精确和绝对测量的优点【3 】，并且它们的物理 载面和力学强度小，在粘贴或嵌入到主体中不会对其性能和结构造成影响： 且能进一步集合成分布传感网络系统，广泛应用于对工程结构的应力、应变、 温度等参数，以及对结构蝓变、裂缝、整体性等结构参数的实时在线监测。 被作为当今工程结构中首选的传感方式，它能满足对结构监测的高精度、远 距离、分布式和长期性的技术要求。由于光纤光栅传感器具有上述诸多优点， 因而光纤光栅在传感领域中的应用引起了人们极大的* 趣。 光纤光栅传感器的种类很多，由于应变测量的广泛性，光纤光栅应变传 感器自然成为目前研究的热点。应用光纤光栅应变传感器最多的领域之当 数桥梁的安全监测。自1 9 9 3 年加拿大卡尔加里的b e d d i n g t o n1 晡l 大桥首先 使用了光纤光栅进行应力测量并用此方法长期监测桥梁结构以来，国外先进 发达国家都用光纤光栅传感器作为桥梁长期安全监测的首选技术。如美国新 墨西哥l a s c r u c e s 的i - 1 0 桥梁工程用了6 7 个光纤光栅传感器贴在桥下的钢 i - 梁上测量桥上车辆运动引起的形变应变，传感器可探测经过桥梁的重型卡 车和超重卡车数，也可探测动态荷载引起的结构响应，此工程也可将传感器 置于关键的强应力位置来验明结构的损坏和退化，了解桥梁对交通响应的长 期变化；佛蒙特大学的f u h r 和h u s t o n 领导的研究小组用光纤光栅传感器远 距离簸测沃特艳萋佛蒙季警钢稳繁大耩，溯量数据砖输罄中心毒卡算辘送行分析 并发布到万维网( w w w ) 上；德国的m e i s s n e r 等人将布喇格光栅埋入德累 斯顿附近a 4 高速公路上一座跨度7 2 米的预皮力水泥大桥的混凝士棱柱中， 测量祷载下的基本线性响应。在其它一魑发达曩家也毒光纡光据传感器耀于 桥梁监测的例子，均取得了良好的效果，并有力地摊动了桥梁工稷科学的发 震。 圈内光纤光栅传感器的研究开发相对国外落后一些，上世纪九十年代初 期，滂华大学、重庆大学、武汉疆工大学等在国内率先开袋传感光纤先栅的 研究。尽管进行了大量理论和试验研究，现盼段大部分光纤光搬传感器的磷 究还只局限在实验嶷范围，且大多数使用的是现成的通讯用布刺格光栅，很 少馕怒传感专曩豹毒剽楱光掇。健慧黪来说，逶过多年熬礤究耪秀发，毙 纤光栅传感技术己得到快速的发展，特别是在光纤光栅传感机理、光纤光栅 制备技术、解谣援零、信努捡铡鸯处瑾技术方糯其备了稳当承平静理论蒸础 和一定的技术水准。 为了加快我国在这个离新技术领域的发展，国家计委通过“光纤传感技 术国家重点点业试验基地”项星的投入，号l 进了光纾浅摄制奁系绞释多避遴 光纤光栅解调等相关设备，使我豳在传感用光纤光栅的研究方面具备了世界 先进水平酶狻震技零基秣，熬快了我霉在兆镁域赶越鼙酝技零鹩多伐。缝过 几年的努力，在光纤光栅的制备技术、传感技术和解调技术方面，取得r 多 顼戒聚。特澍是在光纾竞褥制备技泰静耢究方丽，己取得茧簧迸震，其宝要 技术指标达到国际先进水平。在光纤光栅设备方面，融成功研制出多点光纤 苑橱解调酌实验装鬻。武汉理工大学光纤中心在光纤光栅的研制和光栅储号 解调等关键技术上取得重丈突破。为了避早将这项搜零应热烈工羧巾去，e 广泛开展了光纤光栅传感正程应用技术研究，本文的研究工作隶属乎上述研 究范哮。 1 4 本论文的主要工作 本文研究静课题受“萄家8 6 3 高科控计划项目”资助。通过对光纤光栅 应变传感技术的系统研究，研制颏型光纾光栅废变传感器及扭关系绞，势在 一些重大的结构工程中实施应用。本文的主要研究工作如下： 1 ) 通过广泛的调研和查新，考证了应变测量技术在重大工程结构监测 中的重要性，分析了传统的应变测量技术实现对应变长期、实时、在线监测 的局限性和不足，提出了光纤光栅应变测量技术的新思想。 2 ) 通过对光纤光栅传感技术的系统研究，建立了光纤光栅的应变、温 度传感模型，对光纤光栅的应变传感特性进行了实验研究，论证了光纤光栅 传感技术用于应变测量的可行性和优越性。 3 ) 结合工程结构测量的要求，对传感器的相容性、传感性能、应变测 量中的温度补偿、封装技术进行了系统研究，提出了光纤b r a g g 光栅应变传 感器的设计方法，并通过试验研究，研制了三种用于结构检测的光纤光栅应 变传感器。 4 ) 对光纤光栅应变监测系统的设计方法、基本构成、传感网络的优化、 系统的温度补偿和测温，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，并将其成功地用于桥梁、建筑等重大工程结构的长期监测。 5 ) 对本论文的研究工作进行了总结并对以后的研究工作提出一些建 议。 壅堡篓三查堂塑圭鲎焦鲨l 第二章光纤光栅传惑模型及传感特性研究 癍交帮温度是竞纾党糯最鲞接静两个传感参量。本章运过建立光纾必掇 螅应变、遗发以及交叉传感模型，对传感枧理葶爨传感特挫进程了深入鲍理论 分析，并对其传感特性进行了棚关的实验研究。 2 1 光纤光栅及其传感原理 2 1 1 发戚概况 19 7 8 年，加拿大筋k o h i l l 及其同事在实验中蕊察弼氖离子激光在光 终中褪囱转辕形戏驻波黠，在巍纾中形成辑射搴周期分鸯懿毙掇h 】。这耱嚣 期分礤的光栅也称作“h i l l 光栅”。在光终中作为毒拉格反射器使用。它霹 将满足布拉格条件的前向传输光变作反向传输光，反射波长与光栅栅格常数 和折射率有关。光照除去届，光栅还存在，其反射率在长时间光照达到饱和 瓣霹这弱1 0 0 鳐，带赛却锻窄。 1 9 8 9 年，美爨数m e l t z 等人发明了紫步 测纂入技术硪，德镪裂嬲嚣慕子 涉的紫外光从光纤的侧面写入了光栅。这项技术不仅大大提高了光楗的写入 效率，而且可以通过改变两束相干光的夹角从而达到控制布拙格波长的目 静。絷辨侧写入技术澜餐螽氆莽各嗣对巍纤光栅及箕应厢研究迅速开袋起 来，光缍光撼蛇剃作及光纾光敏犍技术不凝发袋。 1 9 9 3 年，k o 。h i l l 等人提出了位相掩模写入技术【3 l ，剁用紫步 激光缎过 位相掩模衍射后的士1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光纤光 栅。诧技术的提出极大魄放宽了对写入光源相干性的簧求，使得光纤光栅的 铡作更翱容易，势经褥光纾光掇瓣搅囊生产成为可能。簿年e j l e m a i r e 等 人提出了一种提蕊光终敏感性的简单商效方法低湿裹压载氯技术f 4 】，德 们将光纤浸入2 0 - - 7 5 0 个大气压、2 0 7 5 c 的氯气中使得氢分子充分扩散 进入光纤纤芯内部，然后再用紫外光麓入光纤光栅，这样可以使光纤敏感性 提凑近掰个数垂缀e 载蕊技术援失遣降低了毙纤光褥豹割作成本，人们可以 不必使用价格昂贵的赢浓度掺锗光纤，在普通通信光终上裁霹以缀容易遗写 制出高反射率的光纤布拉格光栅。随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，世界 j 武汉理工大学颞士学链论文 备国掀起了光纤光栅技术研究的热潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件 瞧不龋活菇，兜绥必褥懿被广泛应孺子光纾通信、毙纾传感和光信怠憝疆等 各个领域。 2 1 2 光纤光栅结构及传感原理 图2 i 为光纤光栅的络构图，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的 满麓经谪截丽形成的，箕折射率变化通常在1 0 6 l o - 3 之间，将光纤置于周 麓性空润交纯浆紫努光源下，帮霹奁光纾苍率产生这样静折射率交纯。翔于 制作这秘光纡光援的主要刿馋技本之一怒剥鼹嚣令梗予紫终毙隶形戏熬空 间干涉条纹来照射光纤，这样就在光纤芯部形成了永久的周期性辑射率调 制。 闺2 1 光纤光栅的结构 由于周期的折射率抗动仅会对很窄的一小段光谱产警影响，因此，如果 爨荣光波在建援审传输对，入射宠将在糖纛豹羧率上被爱射会来，其余的透 射光谱则不受影嗨，这样光纤光襁被起到了光波选择的馋用。慰于这类调谐 波长反射现象的解释，首先由威廉布拉格爵士提出，因而这种光栅被称为 布控袼光栅，反射条件就称为布控格条件，在布拉格光栅中，反射波长由下 式确定： 是8 h f a 这里，谚是光纤芯区的有效折射率。光掇攫距l 阿暹趱改交嚣稷予紫於 光束的相对角度而得以调整，通过这种方法，就可以制作出不同反射波长的 奄拉捂光耨。 出糕合模理专 1 哪可知，只舂满是奄挝椿条 牛魏炎波考。能梭先纤光栅反 6 射。对取微分得： a 2 b = 2 n e f f 人+ 2 胛a 从式中可以看出，当n e f f 或a 改变时，中心反射波长会相应的发生改变。而 当外界的温度或压力等改变时，都会导致光纤光栅，妨或a 的改变。因此通 过测量光纤光栅的中心反射波长的变化，可以探知外界条件的变化。例如当 光纤光栅上受到一个振动的微扰时，那么它就会产生周期性的应变，于是这 个光纤光栅的中心波长将产生周期性漂移。检测这个周期性的漂移信号就可 以获得振动的信息， 育一圜 一囤受围 图2 - 1 光纤光栅传感检测原理 光纤光栅的传感的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其它 待测物理量发生变化时，将导致光栅周期1 或纤芯折射率n 。的变化，从而t r 使光纤光栅的中心波长产生位移知，通过检测光栅波长的位移情况，即可 获得待测物理量的变化情况。 2 2 光纤光栅传感模型 为了深入的研究光纤光栅的传感机理和传感特性，需要从它的结构出 发，建立传感模型。下面着重论述应变传感模型的建立，对温度传感模型和 交叉传感模型只作简单介绍。 2 2 1 光纤光栅应变传感模型 在所有引起光栅布喇格波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量， 7 霎 武汉理工大学硕士学位论文 因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期以的变化，并且 光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率矿也随外界应力状态的变化而变 化，这为采用光纤布喇格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特 性。应力引起光栅布喇格波长漂移可以由下式给予描述【7 j ： 3 t b = 2 n e t r a a + 2 a n e )aa(2-1 其中1 表示光纤本身在应力作用下的弹性变形，a n , f f 表示光纤的弹光效应， 外界不同的应力状态将导致z x a * n t m 【f r 的不同变化。一般情况下，对于光纤 光栅来讲，由于它本身属于各向同性柱体结构，所以施加于其上的应力总可 以在柱坐标系下分解为西印和呸三个方向。在这里仅讨论纯轴向应力作用 的应变传感模型。 2 2 2 1 各向同性介质中虎克定理的一般形式 虎克定理的一般形式可由下式表示： d 产o 目f ，产1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6( 2 - 2 ) 其中o j 为应力张量，o 为弹性模量，写为应变张量。对于各向同性介质，由 于材料的对称性，可对白进行简化，并引入l a m e 常数a 、硝导到： 盯l 0 2 c r 3 o - a o 5 0 6 a + 2 t a 旯 a + 2 k t 五五 o0 oo 0 0 a 五十2 t o o 0 0 0 0 000 000 j 00 00 0 0 q 龟 白 以 氏 ( 2 - 3 ) 再中l a m e 常数五、用由材料弹性模量占及泊松比婊示为： 口e 2 ( 1 + o ) 0 - 2 0 ) e 。丽鬲 ( 2 - 4 ) 。 2 ( 1 + ) t 叫 此式即为均匀介质中虎克定理的一般形式。对于光纤来说，由于它为柱形结 构，通常采用柱坐标下应力应变的表示方式，即将上式中的下标改为驴， 堡堡篓三盔堂堡主堂垒兰苎 曲的缎合来袭示纵向、横向及剪庶变。 2 2 2 2 均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型 殇匈季鑫良应力楚糖对必绎光撵透露缴自披 枣或瓣辖，冀辩各趣痤力餐表 示为礴z = - p ( p 为膳应力) ，。萨o ，且不存在切向应力。根据( 2 - 3 ) 式 可隶得各方翻应交弼( 2 。5 ) 。式巾霹及汾翻为石荚先纤酌弹往模餐及泊松 比。现已求得了均匀轴向成力作用下各方向的应变值，下面以此为基础避一 步求解光纤光栅的威力灵敏度系数。 卧 p d e p u 一 置 p 昱 ( 2 - 5 ) 将( 2 。1 ) 式展开得： a 2 b , = 从；l c 8 越n , x r - 虬+ 鲁a n 】+ ：釜战 c 2 砌 这里代表光纤的纵向伸缩基，d , a 表示由于纵浇拉伸引起的光纤直径 变纯，葫貔表示弹光效应，国国裳示波替效应。下面首先撩算由弹光 效应弓l 起的襁喇格巾心波长镳移。 相对介电抗渗张量肪与介电常数旬有如下关系： 耻k 。2 羝 ( 2 - 7 ) 茭审静为莱一方淘上麓毙绛掰射率。对于溶融石英毙纾，出予英番离 同性，可认为各方向折射率相同，在此仪研究光纤光栅反射模的有效折射率 n e f f , 敬可蒋上式交澎为： 蜊；矗陪) 一等 泣s ， 崮子样够= 渤盯，琵如；( 2 6 ) 式中除去波导效应其余项可变形为： 9 武汉理工大学硕士学位论文 班降俐砌。山釜 弦， 其中岛= 战化为纵向应变。由于( 2 7 ) 式的存在，可以得到更为简单 的a 也的表达式。 实际上，在有外界应力存在的情况下相对介电抗渗张量岛应为应力a 的 函数，对廊进行泰勒展开并约掉高阶项，利用( 2 7 ) 式，同时引入材料的 弹光系数p f ，得到： 【刮吡l + 只：k 峨 ( 2 - 1 0 ) 式中利用了光纤的轴对称性轳劬，将此式代入( 2 9 ) 式得到弹光效应 导致的相对波长漂移为： 等一譬蚧毋：k 塥d + 弦 式中利用了均匀光纤在均匀拉伸下满足的条件：坠a 壶= 1 。将( 4 5 ) 等十譬蚧础吨】_ 1 汹靠k i 协 令= 略2 。 日：一y ( r ，+ b ：) 】 只为有效弹光系数。将上式代入( 2 - 1 2 ) 中，即得光纤光栅由弹光效应引起 的纵向应变灵敏度系数： 堕 疋= 占么。= l 一只 还可得b r a g g 光栅的二阶应变灵敏度为： 墼b 世一= t 2 彳= ( 1 只) ：+ 2 只： ( 2 一1 3 ) 于是由应变如引起的b r a g g 波长变化可写为： a 8 = ( k 。占+ 去k 一占2 ) 五口( 2 - - 1 4 ) z 对掺锗石英光纤，p ，= o 1 2 1 ，p 1 2 = o 2 7 ，v = o 1 7 ，因此p e o 2 2 ，k e a o 7 8 ，如果采用1 3 t i n 系列光栅，由( 3 - - 1 7 ) 式可以得到每个微应变引 起的波长漂移为0 7 8 4 x 1 0 - 6 x 1 3 ) ( 1 0 6 一, 1 0 2 p r o ，k ，_ o 7 0 。含有光栅的光纤 所允许施加张力的典型值达到1 的应变，此时忽略光栅的二阶灵敏度所引 起的误差不超过0 50 ，因此光纤光栅b r a g g 波长与所受的应变有较好的线 性关系，实际应用中可以不考虑二阶应变灵敏度的影响。 下面讨论由于光纤芯径变化引起的波导效应而产生的布喇格波长漂移 现象。对于单模光纤，其传播常数属与光纤芯径密切相关，从而使得有效折 射率n e f f 也随纤芯的改变而改变。引入光纤归一化频率 矿= k o f t 2 坛一疋j 以及横向传播常数u = 口4 k o r l c a 一所，可将有效折 射率n e f f 表示为： 略= 2 - ( u v ) 2 坛一畅2 ) ( 2 1 5 ) 冥中u 、v 满足如f 光纤本征方程： ujm_du)wkm_1(w) j 。( u )足。( 矽) u 2 + 矽2 = 碡疗五口2 2 = v 2 认为弱导单模光纤基模模场为g u a s s 分布。采用g u a s s 场近似对本征方 程进行化简，对于单模光纤的基模h e n 模可得队y 满足如下关系： u = 0 + 压+ ( 4 + v y 4 将此式代入( 2 - 1 3 ) 式就可得到，研与归一化频率v 之间的直接关系。 由于矿仅由光纤参数决定，可以通过对光纤纤芯半径a 直接求导得到。 ( a l f e f f ) w g ：等 亟婴三拦壁塑丝一 ：一4 焦) ! ：竺：鱼咝生矗k t + ( t + 矿41 h 3 ， 聆乙一l i ：乏i ；知j ( n 己- n 刍) j ( 2 1 6 ) 所以，由波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移可表示为： ( 爿。_ 詈堕a a = 等廿一等协叫叫 协1 7 ) l 五片j 眦 玎够 订 “ 玎 利用单模光纤的条件，可得出波导效应光纤光栅纵向应变灵敏度系数与 光纤芯径及数值孔径关系如图2 - 2 所示( 王向阳，1 9 9 7 ) ，光纤参数如图中 说明。 弛懈l 镰埘 图2 1 光纤光栅波导效应引起的纵向应变灵敏度系数与光 纤芯径及数值孔径的关系 可以看出，总体来讲波导效应对光纤光栅纵向应变灵敏度影响较小，但 其作用与弹光效应相反，属于妨碍光纤光栅用于光纤传感领域的一个因素。 还可以看出，随着光纤芯径及数值孔径的增加( 保持在单模状态) ，波导效 应逐渐增大，所以欲得到高灵敏度的光纤光栅传感器最好采用低数值孔径、 小芯径光纤。即低的掺锗量将有利于提高传感器灵敏度，因此在应用光纤光 栅进行高精度传感研究时需选用掺锗含量适宜的光纤。 1 2 塞堡型三盔堂婴主兰垡鱼苎一 基于以上分析，光纡光栅的纵向应变灵敏度系数仅取决于材料本身和反 向耦合模的有效折射率。对于单模光纤，由于仅有基模存在，当光纤材料选 定后( 具有固定的掺杂量) 其灵敏度系数将为一定值，这就从根本上保证了 光纤光栅作为轴向应变传感器时具有良好的线性输出特性a 2 2 2 温度模型 温度影响b r a g g 波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力 场和轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为： a a = a 人a t ( 2 1 8 ) 式中a 为光纤的热膨胀系数。 由热光效应引起的有效折射率变化为： a n ，= f 疗。a t ( 2 一1 9 ) 式中f 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。 因此，将式( 3 4 ) 、( 3 - - 5 ) 代入( 3 - - 3 ) 式中，就可得到光纤b r a g g 光栅的温度灵敏度为： 从。 k ，：丁；a + 孝 ( 2 - - 2 0 ) 对掺锗石英光纤，a = 0 5 1 0 一，常温下掌= 7 0 1 0 ，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 1 0 6 抚对于1 3 1 1m 系列光栅，单 位温度变化引起的光栅的波长漂移为1 3 0 0 7 5 1 0 4 = o 0 0 9 8 n m ，即 0 0 0 9 8 n m 口，由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤的膨胀系数a 和 热光系数毒有较大差别，因此温度灵敏度的差别也很大。 当温度变化不大时，一般都认为善是一个常数，因此b r a g g 波长的变化 与温度之间有较好的线性关系。但善实际上是温度的函数。根据文献【2 的 报道，5 0 k - - 3 5 0 k 时掺锗石英的f 与温度r 的关系可以写为： 善，= - - 1 1 3 x l o 一6 + 丘7 4 1 0 s t - - 1 2 x 1 0 7 0 t 2( 2 2 1 ) 对掺锗石英光纤，由于口 孝，忽略口随温度变化产生的影响，则可 以得到掺锗石英光纤b r a g g 光栅的温度灵敏度公式为： k t o 。6 3x l o 一6 + 67 7 4 x 1 0 - s t - - 17 1 2 x l o l o 乎( 2 - - 2 2 ) 茎堡望三查堂堡圭兰丝兰苎一 当丁：3 0 0 k 时，k r 约为9 5 1 1 0 6 | ，而t = 2 0 0 k 时则降为大约8 3 7 l o 一6 巩因此在实际应用中若温度变化范围较大，则应考虑温度的非线 性影响。 2 2 3 应变一温度耦合模型 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为： = 袅= 譬掣= c 1 - 只，等“掣( 2 - - 2 3 ， 将式( 3 6 ) 和( 3 1 6 ) 代入( 3 2 0 ) 式，得到： k 7 。= 【( d + f ) ( 1 一) 一2 只善】厶= ( k r 。墨一2 只毒) 砧 ( 2 2 4 ) 下面我们估算一下应变一温度交叉灵敏度在同时测量温度和应变时对 测量结果的影响。 采用在一根光纤的同一位置上写入两个不同波长的b r a g g 光栅，利用 热光系数和弹光系数是波长的函数，使两个不同波长的b r a g g 光栅具有不同 的应变和温度灵敏度，两个光栅同时感受温度和应变，从而达到同时测量温 度和应变的目的。根据文中数据，两个光栅的b r a g g 波长分别为：九。= 1 3 0 0 n m ，九，= 8 5 0 ，l m ，温度和应变灵敏度分别为： k r l = 8 7 2 p m 丘l = 0 9 6 p r o a s k r 2 = 6 3 0 p r o t 2 = o 5 9 p m l a g 由( 3 2 1 ) 式可求得： k 7 t k - - 2 1 3 x 1 0 4 p m ，蝠 k 7 # l 柚5 0 = o 6 2 x 1 0 4 p m 占 显然，带有交叉项的非线性方程组的解与实际值更为接近，可以以此来 近似衡量线性方程组的解与实际值的差异。设由这两个方程组求出的应变和 温度变化值的绝对误差分别为( ( 出力) 和( 融丁) 则可列出关于应变和温度变 化求解误差的方程组： j0 9 6 8 ( 占) + 8 7 2 & ( 丁) 一2 3 1 x l o 西a e a t = 0 r ，一 1 0 5 9 6 ( 占) + 6 3 0 6 ( r ) 一0 6 2 x 1 0 。6 越r = 0 、。 一 茎堡篓三叁璺堡主兰堡垒兰一 解此方程组，可得应变和温度的绝对误麓为： j 8 ( a 8 ) = 7 9 0 x 1 0 。a c a t 2 2 6 ) l8 ( a t ) = 0 7 7 a s a t 农0 l 和o l 应交的测最范围内，应变的相对误差为7 9 x 1 0 4 ，温度的糯对诶差为0 7 7 。透过叛主分袄，我 、】胃浚褥出激下终论： f 1 ) 忽略光终光搬的戏变湛度交义灵敏度对测鬈维暴熬影瞧苓楚缀 大。 f 2 1 测爨范阐越小，忽略交叉灵敏度所引起的成交和温度误差越小。 f 3 ) 相对于温度诶差，忽略交叉最敏廉所引起的应变误差是很小的。 综上掰述，鲡栗忽路交叉灵敏瘦的影桷，漱度、应交、共同作用引起的 b r a g g 波长灼变化毒以表拳必： 矗# = ( 定，+ 必，) a s ( 2 - - 2 7 ) 因此，虚变署温度对光纤光栅的作用w 以精作是相曼独立的，线性囊加 韵。 2 3 免纤光栅传蓥特性静实验研究 光绎必掇作为传感元捧，有着蠢好豹抟感後能，鲡线褴、燕复褴、致 性等。本文将通过一系列实验，对光野光搬的这些特瞧遴撑磷究。 2 3 1 应变传感特性实验 本实验的目的是测试光纤光栅粘贴状态下的应变灵敏度，并对其一致性 稳重复经进行研究。 1 实验装耋及方案 实验装援及材料 拉 串机、光纡党摄鳞调仪( 型号：f b g - i s ，v e r s i o n3 ， 3 2 个测点) 、静态电阻碰变仪( 型号：y j - 2 5 ) 、m1 0 黼的标准拉杆、光鲜光 裰：荦模掺锗光槠，中心波长为1 3 p r o 系列，反射率大予9 5 ，反射带宽 绞为0 3 r i m 。离壤度电隧应交片。实验装鬣知囤2 3 衔示。 本次实验分鼹组进霉。籀一缀进程光攒转感爨灵敏度鞍一致经实验。这 组实验使用2 个光栅， 2 个电阻应变片。用环氯树腮胶将两光拇分别鞑贴 在两端对称的位鬣上，间时，在每个测鬃光栅的近旁各贴上一个电阻成变片， 茎堡垄三墨堂堡主兰堡堡茎 一 以作对比，确保光栅的轴线及电阻成变栅与檬准拉杆的轴线一致。实验载荷 从0 k n - 2 0 k n ，每加2 k n 读一次数据。第二组进行匿复性实验。这组实验仅 翔一个光攒，将其掌占黏在另一根标准拉秆上。实验先翱簸，飙0 k n - 2 0 k n ， 鞭卸栽，从2 0 k n - 0 k n 。实验中，载萄每变饯2 k n 读一次波长蕊。重复凡 次上述过程，光纤光栅通过 3 m m 的光缆串接后姆解调仪相连接，然后鳃 调仪将相关的采集数据传入计算机进行处理、显示。应变的读数从应变仪上 赢接读取。测量结采鲡图2 - 4 、5 、6 所示。 2 实验缝梁分毒蠢 f 圈2 - 3 拉秆的应交测董窟验示意圈 f 图2 - 4 为实验得到的电阻应变片的载衙威变关系曲线闰，从载荷一应 交羧舍蹇线方程中可知：魄隧瘦交舜载薪应变的灵敏淡为1 9 0 7 5 t , 9 k n , 理论计算的载荷应变灵敏度为： 8 ：吕：委：l 删：1 9 5 ( 声若) e 懿- 要x ( o 0 1 ) 2 2 5 0 。9 4 一 ”j 略，l 、子壤论壤，这霹能毒拉力涮纛仪表豹耪度戳及加载过程中的压力不稳等 因索有关，因此，可以壤电阻应变片测褥鲍寝变往终为标准经，对光纤竞拯 的灵敏魔进行标定。 武汉理工大学硕士学位论文 5 0 0 0 ，、4 0 0 0 & 3 0 0 0 姒2 0 0 0 轮j 捺1 0 0 0 0 含4 。0 0 嘲3 。0 蔽2 0 0 0 姒 璃1 0 0 0 0 - 1 0 0 0 2 j r ：4 j y = 1 9 0 7 5 。 r 。 o l o1 52 0 载捷( k n ) 图2 - 4 载荷应变曲线 童 一 l = 万 y 。 1 1 妫，k “2 2 。 涉 夕妒 f 7 y = 0 9 4x 十6 5 6 7 6 ， 05 0 0 1 0 0 01 5 0 02 0 0 0 2 5 ：| 0 0 03 5 0 04 0 0 0 镯蜮( u ) 照2 - 5 应交波长变煺蔑线 o y 嚣l ，1 0 0 嚏一a。翰矽一 ；r 萨 翻r - 魉峨 誓妒 ， _ _ 柳峨 掣。 _ r y o1 0 9 c i 6 x 一套0 6 1 - ) 5 目1 0l c 0 0 1 5 b o 2 q 0 0 2 5) 03 c 0 0 3 5的哇c 硪磁变( “e ) 甏2 - 6 应交波长交凭鬣髓绫 i ， 茎鎏些三查茎堡杰竺簦笙塞 ，一一一 翳2 5 中黪两条羧舍壹线楚薄必援黪痊交渡畏焚纯量关系线。应交怒 由电阻庶变仪测得的。可以得到鼹光栅的应变灵敏度转别为l ；1 0 5 p m z 占秽 t 0 9 4 p m a c ，簿常菠遥，谎秘两光秘输凄一致靛较好。谨魄理论傻 1 0 2 p m t p e 失，键离了约7 。这说明粘贻裁对灵敏糜产生了影响，根据研 究表鼹：耱鼯熬辩辩静力学褴裘j 耱浮壤霹巍橱豹疲交爱敏度有嚣著影响。 当采用低弹性模攮、离泊松毖模辩时，隧骜茨层厚度瓣壤熬，光纾巍掇癌变 越敏度系数增加。为此，将粘贴方式由完全粘贴改为两点式粘贴，褥进行上 述整婶实验，溺褥麴瑟敏发必1 0 3 5p m ；毒，验诞了上述酝究缡论鹃正确毪。 黢拢，为7 保谖终感虢一致接，警采瘸完金捂辩对，除了采髑籀丽的粘贴翔 锌，还毖貘严格控鞠旗魏驳震戆蓐度。 从图2 - 6 中还可以看到，在璧复性试验过程中，试验褥戮懿馥线( 蓝线 和红线) 表示同光纤光栅应变传感器在加载和卸载过稷中，波长坶应变的 对寝关系。嚣条麴线警移 玎( 1 一2 。) r 时，推导出 生丝二!( 3 3 ) 1 + ( 刀霞三) ( e 。e 。) 一一2 f ( 2 一( 积三) ( 1 一。2 ) l 刀( 1 一2 。) r 时，推导出： r ： 皇! 兰! 二! ： ( 3 - 4 ) 1 l + ( g r l ) ( e 。e ，) ( 1 一1 2c ) c 。= ( 1 + c 。) 4 l 一1 ( 3 - 5 ) 由式( 3 - 3 ) 和式( 3 - 4 ) 可以看出： ( 1 ) 当e o e c 值一定时，c 。将随l r 值减小而减小，c 。将随l r 值的增大而减小，光纤光栅传感器进行应变测量时，应考虑l r 的值大一 些，一般l r = 1 0 - 4 0 ，光纤传感器大多能较好地测量应变。 ( 2 ) 当l r 值一定时，e 在e o 肋值较小，因此，光纤光栅传感器 的弹性模量略小于混凝土的弹性模量，可获得较小的应力集中和系数。综上 所述，通过调节光纤光栅传感器的结构、几何尺寸，弹性模量，是能够保证 混凝土的应力，应变较有效地传递到传感器。为了使传感器与混凝土结合面 产生有效地粘结，增加结合面的抗剪特性，保证应力，应变向传感器的有效 传递，光纤光栅传感器的形状、表面特征同样起着重要作用，它对保证二者 之间的粘结是至关重要的。 基于以上分析，设计这种类型传感器结构如图3 - l 所示。它的几何形状 近似杠铃状，主要由三部分组成，即预制盖、预制杆及光纤光栅。设计成这 种特定的结构，其优点一是使传感器表面和混凝土表面不产生相互的啮合， 二是利用杠铃结构，保证混凝土标距内的应力，应变向传感器有效地传递。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - l 埋入式光栅应变传感器结构示意图 2 关键工艺的研究 为了保证传感器的有良好的传感特性和对拉、压两方向的应变测量，设 计了光纤光栅的预张拉工艺，根据建筑行业对混凝土应变计量程的设计规 范，压应变范围为0 1 5 0 0 t as ，由第二章中光纤光栅的应变实验结果，应 变和波长的对应关系，即l p m 约对应1 ue ，因此预张拉波长位移设计为 2 r i m 。 3 传感器的温度补偿方式 根据第二章的相关结论：温度和应变对光纤光栅波长的影响可以看作相 互独立、线性叠加的，当光栅传感器用于应变测量时，可以采用温度补偿的 方式消除温度的影响。该补偿方法是基于以下条件：1 ) 补偿传感器与应变 传感器