（机械工程专业论文）光纤光栅位移传感器及其在边坡防护安全监测系统中的应用.pdf

摘要 。目前，位移传感技术的发展已经很成熟，因为位移量是相对容易检测出的 物理量。位移也是在边坡安全监测中的一个重要的物理量，边坡安全监测要求 监测的因素很多，包括边坡变形、地下水动态和岩体风化速度等。边坡的变形 是边坡破坏的一个显著特征，因此针对边坡位移监测的研究有着重要意义。位 移检测技术的发展大致经历了经典位移测量和半导体技术两个阶段，早期的位 移测量是由人手工进行，后来发展到机械化、自动化检测，进入二十世纪，位 移测量发展为非电量电测方式，是位移监测技术的一次深刻变革。随着社会的 发展，各种位移检测的技术也愈发成熟，但随着位移传感器的应用场合越来越 广，对其自身性能也提出了更高的要求，传统的位移传感器因其自身的缺点， 其应用的局限性也越来越突出。光纤光栅传感技术是近年来发展起来的新型传 感技术。以光纤光栅为基础的位移传感器应用于边坡位移检测有很好的应用前 景，光纤光栅具有体积小、灵敏度高、绝缘、抗电磁干扰能力强等独特的优点， 适于在边坡等较为恶劣的工程环境中应用。 利用光纤光栅的温度和应变敏感特性，可以通过光纤光栅间接测量许多物 理量。本文主要利用光纤b r a g g 光栅的应变测量原理，设计一种拉绳式光纤光 栅位移传感器，运用于边坡安全监测，详细介绍了该位移传感器的设计研究过 程，在结构设计阶段，运用p r o e n g i n e e rw i d e f i r e 三维建模软件确定其基本 结构，该传感器为悬臂梁、楔形滑块和弹簧组成的复合结构，并对三维实体模 型装配和分析，针对传感器的关键部件进行了基于a n s y s 的有限元分析，验证 了传感器关键部件设计的可靠性。对传感器性能进行了测试和温度特性试验， 在标定试验中以拉绳牵引移动滑块，模拟实际应用环境，得到传感器的传感性 能，并针对不足之处不断改进，直至达到理想效果。并以悬臂梁结构为主体， 设计了另一种简单结构的光纤光栅位移传感器，利用该传感器，结合以岩层为 主体的边坡模型做了边坡位移降雨模型试验。实验验证了所设计的位移传感器 在边坡模型应用的可靠性，并得到了有关边坡位移的信息和破坏规律。 关键词：光纤光栅：位移：传感器：安全监测： a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed i s p l a c e m e n ts e n s i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n th a sv e r ym a t u r e ， b e c a u s et h ed i s p l a c e m e n ti sr e l a t i v e l ye a s yt od e t e c tt h ep h y s i c a lq u a n t i t i e s ，a l s oi n s l o p es a f e t ym o n i t o r i n g o fa l l i m p o r t a n tp h y s i c s ，s l o p es a f e t ym o n i t o r i n g r e q u i r e m e n t so fm o n i t o r i n gm a n yf a c t o r s ，i n c l u d i n gs l o p ed e f o r m a t i o n , g r o u n d w a t e r d y n a m i ca n dr o c kw e a t h e r i n gv e l o c i t y ，e t c as l o p ed e f o r m a t i o ns l o p ed e s t r u c t i o ni sa p r o m i n e n tf e a t u r e ，s o i nt h es l o p eo ft h e d i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n gr e s e a r c hh a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e d i s p l a c e m e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n te x p e r i e n c e s r o u g h l yt ot h ec l a s s i c a ld i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta n ds e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g yi n t w os t a g e s ，e a r l y d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ti sm a n u a lb yp e o p l e ，b u tt o t h e m e c h a n i z a t i o n , a u t o m a t e dt e s t i n g ，e n t e rt h e2 0t hc e n t u r y ，d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t f o rt h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r i c a lm e a s u r e m e n tw a y ，t h ed i s p l a c e m e n t m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sap r o f o u n dc h a n g e s a n d 谢1t h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ， a l lk i n d so fd i s p l a c e m e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yb e c o m e sm a t u r e ，b u t 、柝t l lt h e d i s p l a c e m e n ts e n s o ra p p l i c a t i o n sm o r ea n dm o r ew i d e l y ，i ni t so w np e r f o r m a n c ea l s o p u t f o r w a r d h i g h e rr e q u e s t ，t h e t r a d i t i o n a l d i s p l a c e m e n t s e n s o rf o ri t so w n s h o r t c o m i n g s ，t h el i m i t a t i o n so fi t sa p p l i c a t i o ni sm o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g o p t i c a l f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r st on e ws e n s i n g t e c h n o l o g y o nt h eb a s i so ff i b e rg r a t i n gs e n s o ra p p l i c a t i o np r o g r e s s e sd i s p l a c e m e n t d i s p l a c e m e n td e t e c t i o nh a sag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t ，o p t i c a lf i b e rg r a t i n gh a st h e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，h i g hs e n s i t i v i t y ，a n di n s u l a t i o nr e s i s t a n c e ，e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，a n do t h e ru n i q u ea d v a n t a g e sa n di ss u i t a b l ef o rt h es l o p e e n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n tm o r eb a do ft h ea p p l i c a t i o n u s eo fo p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gt e m p e r a t u r ea n ds t r a i ns e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c ， a n dc a nb et h r o u g ht h eo p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gi n d i r e c tm e a s u r e m e n to fm a n y p h y s i c a lq u a n t i t i e s t h j sp a p e rm a i n l yu s eo fo p t i c a l f i b e rb r a g gg r a t i n gs t r a i n m e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，d e s i g nak i n do fp u l ls h e n gs h io p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n g d i s p l a c e m e n ts e n s o r t h eu s eo fs a f e t ym o n i t o r i n gp r o g r e s s e s ，d e t a i l e di n t r o d u c e st h e d i s p l a c e m e n ts e n s o rd e s i g nr e s e a r c hp r o c e s s ，t h es t r u c t u r a ld e s i g ns t a g e ，u s i n gp r o e w i d e f i r e3dm o d e l i n gs o f t w a r et od e t e r m i n ei t sb a s i c s t r u c t u r e ，t h es e n s o rc a n t i l e v e r i l b e a m , w e d g es l i d e ra n ds p r i n gc o m p o s i t i o no ft h ec o m p o s i t es t r u c t u r e ，a n dt h e3d e n t i t ym o d e lo ft h ea s s e m b l ya n da n a l y s i s ，a c c o r d i n gt ot h ek e yp a r t sb yt h es e e i s o r b a s e do na n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n dv e r i f i e st h es e n s o rt h er e l i a b i l i t yo ft h e d e s i g no ft h ek e yp a r t s t h ep e r f o r m a n c eo ft h es e n s o rt ot h et e s ta n dt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i ct e s t ，c a l i b r a t i o ne x p e r i m e n ti nt o 叫1t h er o p et r a c t i o nm o v et h et h u m b ， s i m u l a t i o no ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t , g e tt h es e n s o rs e n s i n gp r o p e r t i e s ， a n di nt h el i g h to ft h ed e f i c i e n c i e si m p r o v i n gc o n t i n u o u s l y ，u n t i li tr e a c h e st h ei d e a l e f f e c t a n dac a n t i l e v e rb e a ms t r u c t u r ea st h em a i nb o d y ，t h eo t h e rak i n do fs i m p l e d e s i g nt h es t r u c t u r eo ft h eo p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r ，t h eu s e o f t h es e n s o r s ，c o m b i n e d 谢t 1 1r o c ks l o p em o d e la st h em a i nb o d yt h es l o p ed i s p l a c e m e m r a i n f a l lm o d e lt e s t e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sd e s i g no fd i s p l a c e m e n ts e n s o r m o d e lt h er e l i a b i l i t yo ft h ea p p l i c a t i o ni nt h es l o p e ，a n do b t a i n e dt h ei n f o r m a t i o na n d t h ed i s p l a c e m e n to ft h es l o p ed e s t r u c t i o nr u l e k e yw o r d s ：f b g ；d i s p l a c e m e n t ；s e n s o r ；s a f e t ym o n i t o r i n g ； u l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 边坡安全以及对大面积边坡的安全监测是我国的一个重要课题，目前，在 很多工程项目中都涉及到对可能发生险情的施工段进行实时监测，位移是危险 边坡出现险情的一个明显特征，在边坡防护中容易直观监测得到，并且位移测 量是其他物理量测量的一个基础，很多物理量或者其他不易直接测得的量都可 以通过转化为测量位移量间接得到，在实际工程应用领域和科学实验中，位移 也是一种遇到最多的被测量，各种原理的位移传感器的研制日益受到重视【1 1 ，随 着经济社会的发展，位移传感器在各领域的应用越来越广泛，对其自身的性能 也提出来了更高的要求，因此对于位移测量技术的研究一直是不断发展的。 早期对位移的测量是由人手工进行。在人类社会发展到机械化社会以及自 动化技术开始萌芽后，大量的生产机械在工作时需要对某些运动部件的位移量 进行检测，以便实现自动控制，那时对机械位移的测控是靠机构连动的方式实 现【2 1 。但这种位移测量方式精度低、机械和机构的结构复杂、不仅成本高，而且 动态响应差，获得的位移信息不容易处理。进入二十世纪以来，位移的测量发 展为将位移量通过位移传感器转换为电信号进行测量，即非电量电测方式，所 得结果由电子控制器处理后再驱动执行机构进行控制，这种方式不仅减少了对 被测部件位移的影响，大大提高了精度，而且转换后得到的电信号易于处理及 远距离传输，可方便地与各种仪表或电子自动控制器接口，使位移测量技术发 生了根本性的变革1 2 j 。目前的位移检测技术已经相当成熟，各种位移传感器也出 现在人们的视野里。人们常用的传感器有电位器式、电感式、磁敏式、光电式 等。 光纤光栅是一种新型的光无源器件，光纤光栅传感技术是近年来发展起来 的新型传感技术。光纤光栅具有体积小、灵敏度高、绝缘、抗电磁干扰能力强 等独特的优点，已被广泛地应用于各种材料和结构体内部进行温度、应变等参 数的测量。随着社会经济的发展，边坡防护工程中遇到的岩土边坡安全问题日 益增多。并成为边坡工程中比较常见的技术难题。由于工程建设的需要，往往 在一定程度上破坏或扰动原来较为稳定的岩土体而形成新的人工边坡，因而也 武汉理工大学硕士学位论文 都存在安全问题【3 】【4 】，边坡安全监测问题亟待解决，以光纤光栅传感技术为依托 的各类传感器，能以高分辨率测量许多物理参数( 如应力、应变，温度等) ，本 课题研究的光纤光栅位移传感器及其在边坡安全监测系统中的应用对边坡安全 预警，减少边坡自然灾害有着重要意义。 1 2 位移检测技术的发展 1 2 1 位移检测技术概述 位移测量包括线位移和角位移。线位移是指物体相对于某参考坐标系一点 的距离的变化量，它是描述物体空间位置变化的物理量【5 】。若物体沿直线方向运 动，其位移量为直线位移，直线位移是描述物体在平面内直线位置变化的物理 量。角位移是描述物体绕某参考点转过的角度，就是指角度的测量，在实际应 用中，线位移的测量要广泛得多，并且线位移基本与长度测量为同一范畴，长 度测量是指某一物体的固有尺寸的测量，而把在工作中变化的尺寸测量称之为 位移测量。所以线位移测量和长度测量都可以看作是位移测量。 位移测量是测量技术中最基本的测量项目之一，是振动、压力、应变、加 速度、温度、流量等测量技术的基础，这是因为在众多的物理量中，位移与其 它机械量相比，是既容易检测又容易获得高精度的检测结果。因此，人们在很 早以前就认识到测量位移的重要性，位移测量也是精密计量领域中的一个重要 分支。 长期的生产实践使我们认识到，物体的位移测量在工业生产领域有重要作 用。位移测量技术的应用非常广泛，例如常用机器的旋转运动部件都会有偏心， 造成运动不均匀性，如果偏心过大，长期使用而不加以监测，会造成各种不良 后果，所以可通过测量该部件的运动偏心程度，决定是否能继续使用，这就需 要通过位移的测量来确定。特别是对于机床主轴，其运动的均匀性直接关系到 机床能达到的加工精度和最小形状误差。在具体实施过程中，可以通过实时的 位移测量，得到位移时间关系曲线。位移测量不仅对机械生产中的运动测量有 积极意义，而且在机械工况监测中的零部件变形，尤其是其关键部件，对其变 形程度的实时测量，可以来考核关键部件的承压能力，这也要用到位移测量， 位移测量能反映零部件的变形程度和结构性能，为设计提供重要依据。位移测 量在精密计量领域中也是很重要的，比如光纤微位移传感器，透射式、反射式 2 武汉理工大学硕士学位论文 光纤位移传感器，光纤干涉仪测位移等都是精密位移测量的典型代表。 1 2 2 位移检测技术的发展 位移检测技术主要伴随位移传感器的发展而发展，位移传感器的发展大致 可分为两个阶段，经典位移传感阶段和半导体位移传感阶段，二十世纪八十年 代以前，主要是经典位移传感阶段，人们以经典的电磁理论为基础，把需要测 量的位移量转化为便于检测，易于处理的电学量，比如电阻式，电容式，电感 式位移传感器都属于经典位移传感器，它们都是以电磁学原理和物理原理为基 础3 。随着科技的发展，特别是一些新型材料的出现和应用，利用某些材料的功 能效应，可制作性能更为优越的传感器，这些传感器属于半导体位移传感阶段， 如压电传感器，金属应变片和半导体应变电阻，磁电式，磁栅和感应同步器， 光纤传感器等。 结合位移传感器的发展，简要介绍位移传感器两个发展阶段的一些主要的 传感器。 机械类位移传感器：以机械传动结构或设计其它机械结构对一些运动部件进 行测量，传统机械类位移传感器精度低、能量损耗大。 电类位移传感器：其基本思想是将位移量转化为电信号进行测量，相对于传 统传感器来说，这类传感器是位移测量技术领域的一个里程碑式的进步。主要有 一下几种： ( 1 ) 电容式位移传感器；该传感器以两个平行极板电容为基础，通过调整电 容极板间隙，可控制电压幅值，被测物体位移引起电容极板距离变化，从而实现 位移测量，电容式位移传感器具有功率小、还可实现非接触式测量，因此获得广 泛的应用。但是其有测量精度不高，测量量程小差等缺点。 ( 2 ) 电感式位移传感器：是以电磁感应原理为基础进行位移测量，将被测物 体的位移转化为线圈自感变化，实现位移测量。对比电容式，该传感器测量精度 高、测量范围宽、有利于信号的传输。 除此之外，还有电涡流式位移传感器；电涡流式位移传感器也是一种非接触 式的位移传感器。还包括电位器式位移传感器、电阻应变片式位移传感器、在此 不一一介绍。 磁敏式位移传感器：包括感应同步器、霍尔式位移传感器、磁栅式位移传感 器、磁致伸缩扭转波位移传感器。 3 武汉理工大学硕士学位论文 光电式位移传感器：包括激光位移传感器、光栅式位移传感器、光纤位移传 感器。 除以上传感器外，超声波位移传感器也可以实现位移测量。 表1 1 几种常见位移传感器性能比较 类型测量范围精确度线性度特点 结构简单；有 电位 线绕式 1 3 0 0 m m o 1 o 1 摩损 器式 结构牢固；分辨 非线绕式l 1 0 0 0 m mo 5 0 5 率底、噪声大 2 5 u m 精度、灵敏度高； 自感式0 1 u l n 5 0 m m频响底 灵敏度高、响应 电涡流式肛l o o m m l 3 3 快 线性度好、分辨 电阻应变片式0 1 u m - - o 1 m m2 0 1 o 5 率高；测量范围 小 分辨率高；易受 电容式0 0 0 1 m m - l o m m 0 0 0 5 0 1 温度变化影响 激光式2 m 分辨率0 2 u r n 动态特性好、分 霍尔效应式_ - _ 4 - 5 m mo 5 1 辨率高 光栅式0 0 0 1 m m - i o m3 u m m分辨率高 磁栅式l m 2 0 m5 u m m工作速度快 感应同步器0 0 0 1 m m - l o m3 u m m分辨率高 灵敏度高、抗干 光纤式0 5 m m - 5 m m1 3 o 5 r v l 扰：制作工艺高 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 光纤位移传感技术研究现状 1 3 1 光纤位移传感器 位移检测技术随着科技的进步不断发展，特别是由于近几十年来，光纤传 感技术的迅速发展，以光纤传感技术为基础的位移测量方法不断涌现，是位移 传感领域一个重要变革，以光纤位移传感器为例，光纤位移传感器之所以能被 广泛应用，与其自身的优点是分不开的，以光纤传感技术为基础的光纤位移传 感器主要有以下优点： ( 1 ) 抗电磁干扰、耐腐蚀，可以在环境恶劣的地方应用，这主要是因为光 纤本身是电绝缘，耐腐蚀的材料，所以能不受电磁场干扰，工作中安全可靠。 ( 2 ) 灵敏度高、响应速度快，以光纤传感技术为基础的传感器的灵敏度往 往优于一般的传感器，目前已有实验证明。 ( 3 ) 重量轻，体积小，光纤的材料本身具有重量轻、体积小的特点，由于 光纤的这些特征，可以制成尺寸小的位移传感器，有利于在一些狭小空间应用。 光纤位移传感器主要分为外调制式、内调制式、干涉式三类 外调制式光纤位移传感器又分为透射式和反射式，透射式主要原理是采用 两根同样芯径的光纤，两光纤的端面为平面，将两端面靠近，并保持微小距离， 光从一光纤输出进入另一光纤，光通量会随着两根光纤同轴度得改变而改变， 只要外界位移引起两根光纤同轴度的改变，并可以实现位移测量。反射式主要 是利用光纤输出的光在反射面上发生反射，同过；! 贝0 量反射光的光强，进而确定 反射面的位移【丌。 内调制式基于光纤的模式耦合理论，在光纤受至i j 微弯变形时，纤芯中部分 光会透入包层，造成传输损耗，并且泄露的光强度会随着光纤弯曲的程度而改 变瞪j ，利用这一原理可以制成光纤微弯位移传感器。 干涉式光纤位移传感器主要是干涉仪的测长原理，即经分光镜分开后的两 束光，分别射到参考面和目标反射面上，反射光经原路返回，重新相遇并发生 干涉，干涉条纹会随着两路反射光的光程差的改变而改变，只需将目标反射面 固定在被测物体上，就能实现位移测量。常用的可以用来测位移的干涉仪有m 干涉仪、m z 干涉仪以及f p 干涉仪。 光纤位移传感器虽然具有很多独特的优点，但其缺点同样不可忽视，比如 微弯位移传感器的微弯器要求精度高，机械加工工艺复杂；透射式光纤位移传 武汉理工大学硕士学位论文 感器对光纤同轴度要求爿e 常高，也对光纤的夹持结构提出了很高的要求，其机 械加工难度也大，反射式光纤位移传感器易受外界环境光源的影响，而干涉仪 测量范围小，光路复杂。 自上世纪8 0 年代以来，光纤传感技术受到世界各国的极大重视，世界各国 都投资开展光纤传感器的研究和开发。近3 0 年来，光纤传感器一直被设想为未 来主导传感技术，因此美国、日本等国对此研究一直保持巨额投资，但目前未 实现光纤传感技术的主导地位。从国际上来看，美国和日本在光纤传感器方面 的开发和应用处于领先地位。但其侧重点不一样，美国侧重于军用，日本则侧 重于民用。在国内来看，光纤传感器技术的研究也取得一些可喜的成绩，但总 体而言，与发达国家相比还有一定的差距，特别是在商品化和产业化等方面。 从目前使用情况来看，国内# 1 - 所使用的光纤位移传感器仅仅是利用其线性较好 的前坡，可测范围小，使用范围受到很大的限制，还存在一些亟待解决的问题。 国内外很多专家学者都在致力于改变这种现状，光纤位移传感器阵列及网络化 应用是将来新型光纤位移传感器发展的大势所趋。 1 3 2 光纤光栅位移传感技术 光纤位移传感器在传统传感器的基础上是一个非常大的进步，能耐腐蚀， 抗电磁干扰，体积小，重量轻，可用于狭小空间等，但光纤位移传感器也自身 的缺点，以上面介绍的) - l 种典型光纤位移传感器为例，比如透射式光纤位移传 感器对光纤同轴度要求j 常高，而光纤的直径本身很小，为保证两根光纤之间 有较高的同轴度，就必须要求光纤的夹持机构有很高的精度，这对于夹持机构 的机械加工提出了彳艮大的难度；反射式位移传感器虽然能实现非接触式位移测 量，但在实际应用中，反射面的材料、曲率半径的变化，光洁度等都会对测量 带来误差，反射式位移传感器由于其光路不封闭，还易受到外界照明光线的影 响，并且为了传感器的动态钡量范围，需要在传感器探头尾部增加光学透镜组， 这给探头的加工带来彳艮大难度，降低测量的准确性，这些都使得反射式光纤位 移传感器在实际工程中缺乏可行性；光纤微弯传感器其关键部件是微弯器，微 弯器的精度直接影响传感器的测量精度，此传感器的缺点也是加工难度大，并 且系统复杂，调试繁琐，实际应用中较少采；光纤干涉仪要求光源的稳定性较 高，并且干涉仪价格昂贵。针对以上的一些传感器的优劣，以光纤位移传感器 为主的位移测量技术也还有彳艮多值得改进和研究的地方，尤其是光纤光栅的问 6 武汉理工大学硕士学位论文 世，使得位移测量技术有了进一步的发展。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干 场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化的相位光栅， 实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射镜或滤波器。当一束宽光谱光经过光纤 光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的光将产生反射，其余波长的光透过光纤光 栅继续传播。经过几十年的发展，随着光纤光栅写入技术的成熟，各种类型的 光纤光栅相继问世，光纤光栅作为一种新型的无源光器件，其应用也越来越广 泛，在光纤通信和光纤传感领域都有应用，特别是在光纤传感领域，在当今科 技领域及实际应用中，传感器占有十分重要的低位，早已广泛应用于各学科领 域【9 】，利用光纤光栅的应变传感原理，制成各种机械结构的光纤光栅传感器，实 现各种物理量( 位移、压力、压强、加速度、温度、热膨胀系数等) 的测量， 但毕竟光纤光栅发展时间较短，在光纤光栅传感器在实际应用中，会遇到各种 各样的问题，比如灵敏度低，温度与应变的交叉敏感等问题，成为制约光纤光 栅传感器成功运用于实际的难点之一，随着科研工作者的不懈探索，对光纤光 栅的封装技术及光纤光栅增敏技术也随之成熟，这些难点问题的解决成为可能， 使得光纤光栅传感器的实用性也在一步步增强，相信随着科技的进步与实验手 段的提高，光纤光栅传感器的应用将会取得长足进步。 光纤光栅位移传感技术是在光纤传感技术基础上发展起来的新型传感技 术，以光纤光栅为基础的位移传感器除了具备光纤位移传感器的诸多优点之外， 还便于实现分布式传感，可靠性高，利用光纤光栅的独特优势，制作各种结构 的位移传感器，并且很多光纤光栅位移传感器已成功应用于工程实际。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 光纤光栅传感技术是2 0 年来发展起来的新型传感技术，光纤光栅具有体 积小、重量轻、长期稳定性好、信号传输距离远等特点。自1 9 8 9 年m o r e y 等人 实现了光纤光栅紫外侧面写入技术之后，光纤光栅传感技术得到了迅猛的发展。 它以其独特的抗电磁干扰、可靠性高、便于实现分布式传感等优势越来越被人 们所重视 9 1 。利用光纤光栅的独特优势，可以用来制成各种各样的新型传感器， 运用在各个领域，尤其是环境恶劣的场合，比如高温、高压、电磁干扰、腐蚀 性强，山区，隧道，大坝等，光纤光栅传感技术更易显示其优越性，本文主要 是设计一种能用于山区边坡防护，实现边坡安全监测的光纤光栅位移传感器。 本文的主要研究内容有： 第一章：主要是结合一些主要的位移传感器介绍位移检测技术的的发展和 研究现状。通过简要介绍其原理、功能和特点，比较各类位移传感器的特点， 通过介绍几种常见的光纤位移传感器及分析其优缺点，对比光纤光栅位移传感 技术的优势。 第二章：介绍光纤光栅的传感原理，主要是光纤光栅的解调，光纤光栅传 感器在应用中存在的温度应变交叉敏感问题，解决方法以及常见光纤光栅位移 传感器的结构。 第三章：本文光纤光栅位移传感器的设计研究过程，通过理论计算和运用 p r o e 三维设计软件设计传感器的最终结构，并对传感器关键部件悬臂梁进行有 限元仿真，验证其可靠性。并对所制成的传感器进行性能测试，了解该传感器 的传感特性及工作性能。 第四章：介绍边坡模型及破坏模式，并设计了一种光纤光栅位移传感器， 用于边坡位移降雨模型试验系统，测量了在降雨情形下岩土边坡模型表面的位 移，并分析了其结果。 第五章：对全文总结，并针对传感器的实验参数、拟在工程应用中的不足 之处等提出进一步的展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感原理 光纤光栅具有体积小，质量轻，不受电磁干绕，安全可靠等特点。1 9 7 8 年 k 0 h i l l 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤咣栅，经过三 十多年来的发展，在光纤传感、光纤通信等领域均有广阔的应用前景。随着光 纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种光栅相继问世，应用 成果日益增多，使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速 的光纤无源器件之一。本章主要围绕光纤光栅传感原理及常见光纤光栅应变位 移传感器做简要介绍。 2 1 光纤b r a g g 光栅传感原理 光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光 纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这一小段光纤的光折射率就会根据被 照射光的光波强度而永久改变。造成其光折射率的周期性变化，就为光纤布拉 格光栅。 2 1 1 光纤布拉格光栅传感模型 光纤布拉格光栅的基本传感原理是宽带光入射进入光纤，大部分光会通过 布拉格光栅而不受影响，只有特定波长的光在布拉格光栅出发生反射，如图2 1 所示【1 0 1 ，这种特定光的波长称为布拉格光栅的中心波长，通常用入b 表示 9 武汉理工大学硕士学位论文 输入信号 - 卜 i _ 一 反射信号 光纤包层光栅 l _ - i l _ _i ll ? l _ 卜一 | 纤芯 b r a g g 光栅周期人 九 传输信号 输入信号 反射信号 传输信号 图2 - 1 光纤b r a g g 光栅传感原理图【l l 】 入 由耦合模理论可得，满足相位匹配条件时，b r a g g 光栅的中心波长为 九= 2 人 ( 2 1 ) 式中：九为布拉格波长；n o 为光纤传播模式的有效折射率；人为光栅周期。 b r a g g 波长的峰值反射率和透射率为 r ：t a n h 2 ( 苎全孑啦三) ，t = c o s h 之( 苎全孑啦三) ( 2 - 2 ) ，：k 是折射率最大变化量，l 是光栅长度，折射率越大，反射率越高，光 栅越长反射率越高。 光纤b r a g g 光栅传感原理【1 2 i t i - - 以用以下公式表示： 4 i 九= 2 n a 1 一( 等) 喃2 一u l 酰l + p 1 2 ) 】 s + 【口+ a - - z - l a r = 九( 弓r + k s ) ( 2 3 ) 其中 n = 【昆2 一u ( a l + p 1 2 ) 】 ( 2 _ 4 ) 见是光纤有效光弹系数，对于二氧化硅光纤，以= 0 2 2 ，a 。和岛：是光纤光栅的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 光弹系数，珂为光纤有效折射率，u 是光纤泊松比，赫为光纤光栅的温度灵敏 度，k 。为光纤光栅的应变灵敏度。 由此可知，温度与应变都会引起光纤光栅波长的变化，大量的理论和实验 研究证明，应力、应变、温度等外界环境变量的改变，会改变光栅周期人和有 效折射率，继而影响光纤光栅的中心波长，通过光谱仪等检测仪器记录光栅 波长的变化，便可实现光纤光栅传感。 2 1 2 光纤光栅的应变和温度灵敏度 由光纤光栅的传感原理可知，温度和应变的变化将影响光栅周期人和有效 折射率，所以温度和应变将直接影响f b g 反射波长。 f b g 的温度传感特性是由光纤光栅的热光效应和热膨胀效应引起的，热光 效应主要是影响光栅有效折射率的变化，热膨胀效应式引起f b g 光栅周期的变 化，如果光纤光栅传感器所受外界应力，压力不变，当环境温度变化丁时，光 纤光栅中心反射波长的移动量从。可表示为 砧= 九( a + g ) a t ( 2 5 ) 式中：伉为光纤材料的热膨胀系数； 为光纤的热光系数。光纤光栅的热膨 胀系数和热光系数受掺杂浓度的影响，掺锗成分和掺杂浓度的不同，各种光纤 光栅的热膨胀系数和热光系数也有所不刚1 3 】。 对于中心反射波长为1 3 0 0 n m 的石英光纤光栅，其波长温度灵敏度为1 0 p r o ；对于波长为1 5 5 0 的，温度灵敏度为1 3 p m c 同样，当光纤光栅只受应变影响时，也会引起光栅中心波长的变化，有轴 向应变s 作用在光纤光栅上时，光纤光栅反射波长漂移量砧可表示为 2 九= x s ( 1 - 专 p 1 2 一o ( p 1 1 - p 1 2 ) 】) s ( 2 - 6 ) 其中：p 。，和a ，为光纤应变张量的分量；u 为泊松比。光纤光栅典型的应变灵敏 度为：当中心反射波长为1 3 0 0 n m 时，波长应变灵敏度系数为l p r n k u ；。当中心 反射波长为1 5 5 0 n m ，波长应变的灵敏度系数为1 1 5 p r n u z 。 在实际应用中，一般取刀= 1 4 5 6 ，光纤的泊松比u = o 17 ，光纤弹性系数 ”2 p l l = o 1 2 l ，p 1 2 = o 2 7 0 ，则有效弹光系数成= 【p 1 2 - o ( p , l - p 1 2 ) 】- o 2 1 6 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 应变与温度的交叉敏感及温度补偿 由于在实际应用中，光纤光栅所处环境不可避免的同时受到温度和应变的 影响，其波长漂移也同时受到温度和应变的影响，其波长漂移量可以写为 竺孚，垦：( 1 一等【a - v ( p l l p 1 2 ) 】) s + ( a + 考) 合丁 二 = ( 1 一见】) + ( a - i - 考) r ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 7 ) 可以看出，光纤光栅对温度和应变都是敏感的，当光纤光栅传 感器用于实际测量时，一般难以区分温度和应变各自引起的被测量的变化，这 就是交叉敏感问题。 交叉敏感问题会影响传感器的精度，因此在实际的测量中，必须对被测量 进行分离，才能实现对应变和温度的分别测量，应变与温度的分离测量有多种 方法：1 参考光纤光栅法，就是利用一个光栅为参考光栅，实现温度或应变的测 量，从而保证对另一物理量的测量，比如要测量应变，可用一个不受应力作用 的自由光栅作为参考光栅，将这光栅置于与传感光栅同一温度场中，由于传感 光栅既受温度影响，又受应力作用，传感光栅波长漂移量为温度和应变的影响 之和。而参考光栅波长漂移量只是温度的作用，将两个光栅波长漂移量想减， 就可以消除温度对应变测量的影响。 2 双波长叠栅法，双波长叠栅是在同一根光纤的同一位置重叠写来两个不同 周期的光栅结构1 1 4 1 ，当收到外界环境变量影响时，探测段将获得两组波长数据， 假设光纤光栅波长漂移与温度、应变呈线性关系，且温度与应变之间相互独立， 则波长漂移量从b 、温度变化量r 、应变量a s 之间的关系为： 砧= x a e , + y a t ( 2 8 ) x 、y 分别光纤光栅的应变和温度灵敏度。则被测的温度与应变的数值可以 表示为矩阵关系： = 臣纵竺) ( 2 9 ) 以上矩阵中系数x 是与弹光系数，泊松比有关的常数，y 是与热光系数， 热膨胀系数有关的常数，均可通过实验测得，只要分别检测出两个光纤光栅不 同的波长变化，就能得到被测应变s 和温度变化量丁。 3 应变与温度补偿，可通过设计一定结构的传感单元，使其对温度或应变其 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 中之一敏感，而对另外物理量不敏感，进而实现温度与应变的同事测量。 ( 1 ) 可用不同包层直径的光栅熔接在一起，1 9 9 6 年j a m e s n 司研究发现，具 有不同包层直径的两只光纤光栅，在相同的温度或应变作用下，波长的变化量 是不同的。如图2 - 2 所示结构 f b g l f b g 2 图2 2 不同包层直径光纤光栅熔接在一起 该结构的光纤光栅可以获得两组不同的波长漂移数值，通过上式可计算得 到应变与温度，从而实现温度与应变的同时测量，由于两光栅所受温度影响基 本相同，而受应变差别较大，可通过测量两组波长相对偏移量，得到应变的变 化。 ( 2 ) 温度增敏与压力增敏，这两种方法主要都是利用不同的基底材料，将f b g 粘贴在上面，分别提高光栅的温度与应变灵敏度在满足测量精度的前提下，实 现温度补偿，减少因交叉敏感引起的误差。 2 2 光纤光栅位移传感原理 光纤光栅位移传感器主要是利用光纤光栅的位移应变测量原理，设计一定 的传感和封装结构，利用解调系统获得位移与光纤光栅波长漂移之间的定量关 系，实现位移测量。 2 2 1 悬臂梁结构的位移传感器 悬臂梁结构的光纤光栅位移传感器是最基本的结构，较早出现是关柏鸥等 人f 1 6 】设计的，把光纤光栅简单的粘贴在矩形悬臂梁结构上，同过测量悬臂梁上 某点位置所对应的波长变化，通过换算得到被测位移的结果。其结构图如图2 3 。 武汉理工大学硕士学位论文 被测物体 图2 3早期悬臂梁结构的光纤光栅位移传感器 将光纤光栅粘贴在悬臂梁上的某一考察点处，该考察点应变s 。引起光纤 光栅波长的变化从。为 峨砧= ( 1 一见) s ， ( 2 1 0 ) 由材料力学原理可得考察点处的应变与悬臂梁自由端的位移关系为 s ，= 3 ( l 一) h f 2 l 3 ( 2 1 1 ) 由上两式得到 九砧= ( 1 - p ，) 3 ( 三- x o ) h f 2 l 3i 2 - 1 2 ) 将悬臂梁自由端与被测物相连，通过测量考察点处光纤光栅波长的变化确 定梁自由端的位移，进而对被测物实现位移测量。很多悬臂梁结构的光纤光栅 位移传感器都是基于悬臂梁的位移传感原理或在此基础上改进而成的，包括对 悬臂梁本身结构的改进，比如余有龙等人【17 1 对悬臂梁结构的光纤光栅传感器的 梁的形状与测量结果的关系进行了计算和分析。分析结果指出，优化设计悬臂 梁结构对传感器的基本性能非常重要。在悬臂梁结构中，还可利用两个光栅对 环境温度进行补偿。以悬臂梁为基本结构的光纤光栅位移传感器用的很多。 2 2 2 利用简支粱的光纤光栅位移传感器 简支梁结构也是光纤光栅位移传感器的一种重要结构，以下为传统的简支 梁结构的光纤光栅位移传感器1 1 8 1 ，其结构如图2 _ 4 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 p 1r i l 图2 4 传统简支梁结构的光纤光栅位移传感器 在简支梁的中间承受一个集中载荷p ，由材料力学原理可知应变s 为 s ：兰 ( 2 1 3 )s = l 2 j 3 c 一4 x 由式( 2 1 0 ) 得到f b g 波长的变化量与可表示为 等= ( 1 吲羔 ( 2 r ) l q x f b g 波长的变化量的变化量与简支梁的横向位移y 成正比，在简支梁结构 中，也可以利用两个光栅达到温度补偿的目的。简支梁结构虽没有悬臂梁用的 多，但也是比较常见的结构之一。 2 2 3 几种常见的光纤光栅位移传感器 光纤光栅位移传感器的常见结构是以悬臂梁、简支梁为基本传感元件，或