（光学工程专业论文）基于光纤光栅的缆索智能结构研究及应用.pdf

第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 大型结构的健康监测与诊断越来越受到社会各界的广泛重视。特别是随着结构 复杂化、大型化的发展，一旦结构失效将直接危害人的生命安全，尽管结构设计时 考虑了安全系数，但对于一个在复杂环境下工作的实际结构，由于环境载荷作用、 疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构本身不可避免的产生损伤， 损伤积累到一定程度将导致结构的突发性失效“”。如不能对结构的损伤做出及时 正确的评价，一旦事故发生，就会造成巨大的损失。为了能够及时地获得结构健康 状况的信息，靠对结构进行定期测量是无法满足要求的。”。因此，近年来国际上 出现了针对重要工程结构的长期实时健康监测系统。长期实时健康监测系统是一种 永久性安装在结构上的传感、数据采集及传输等软硬件系统，它以结构的荷载、环 境、响应等为监测对象，为及时评价结构的当前健康状态提供了丰富的资料，并通 过损伤监测技术及时对结构的健康状态做出评估。 随着材料技术的发展，美国和日本科学家首先提出智能材料结构的概念。1 。其 基本思想是在材料和结构的制造过程中，将传感元件和驱动元件置入其中，在结构 服役期间，传感元件可对结构的状态参数，如应力、应变、温度、损伤等进行实时 测量：驱动元件则根据需要对结构的状态作必要的调节或控制，由此便可保证结构 的安全运行，并能始终工作在最佳状态。这样的结构称为“智能材料结构”。它是 未来工程结构的发展方向。 智能材料结构为各种大型结构的长期实时健康监测提供了新的思路，极大地推 动了工程结构健康监测技术的发展，显示出特有的生命力。智能材料结构的应用， 将有可能把目前广泛采用的离线、静态、被动的检查，转变为在线、动态、实时健 康监测与控制“1 ，将导致结构的安全监控、性能改善与减灾防灾的思路产生质的飞 跃，是工程结构设计的一场革命。然而，智能健康监测与诊断系统的研究尚处于起 步阶段，通过测量信号对结构进行健康评价还没有建立完善的理论体系，达到实用 化水平还有很多问题需要解决。 化水平还有很多问题需要解决。 北京交通大学工学博士学位论文 围内正常工作等。 智能材料结构的研究与应用己引起国际和国内学术界的广泛重视。从目前研究 的结果来看，研究大部分集中在各种不同智能材料特性的探索上，并研制出了多种 具有不同特点的智能材料。但对智能材料结构的应用的研究还相对较少。智能材料 结构有巨大的应用背景，它的进步和发展将给工程结构的设计与制造带来全新的概 念，极大地提高工程结构的安全性和可靠性”“。 1 2 2 智能材料结构在健康监测与寿命预测中的应用研究 智能材料结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损 伤情况，从而能够对结构进行健康监测和寿命预测“2 “2 。具有这种功能的智能材 料结构称为自诊断智能材料结构。自诊断智能材料结构能感受和响应外部环境参数 的变化，自诊断内部运行状态( 如缺陷和损伤) ，并能根据预先约定的程序进行报 警或传输有关信息。自诊断智能材料结构是所有智能材料结构的基础，在实际应用 的智能材料结构中占有很大比重，因此，对其进行研究具有重要意义。 智能材料结构在健康监测与寿命预测中的应用领域越来越广泛。目前，国内外 学者对于此问题的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 智能传感元件及其优化设置的研究 根据需要的监测量，改善智能材料结构的性能，研究开发耐久性好、可埋入 或附着、大规模分布式的传感元件”1 。大型工程结构具有投资大、设计周期长、 使用环境恶劣，易受周围大气、温度、湿度及天气的影响而发生恶化以及长期承受 动荷载等特点，因而对大型工程结构进行施工监控和长期监测尤显必要。由于光纤 传感器具有抗电磁干扰能力和耐腐蚀性，因而极适合用作处于露天、恶劣等环境下 的大型工程结构的长期监测。把光纤传感器埋入到桥梁中，测量桥梁内部的应力、 应变以及结构损伤，已成为桥梁检测中的有效检测技术1 。近年来，国内外研究机 构投入了大量的人力物力研究光纤传感器在大型结构检测中的应用，并取得了一定 的成果。 传感器的优化布置，可以确保全面而经济地提取结构信号。结构健康监测与寿 命预测的可靠性是建立在测试数据的准确性上，传感器的位置、数量对结果起决定 4 第一章绪论 分析可以指导试验的正确进行和作为试验的补充。首先，可以根据有限元分析来布 置试验方案，确定测点的数量和激振点、响应点的位置，从而保证试验的精度；另 外，作为验证手段，试验结果毕竟有限，而且由于试验条件的限制，测点不可能太多，可以利用建好的有限元模型来进行仿真，模拟设置多种损伤状态，获得大量有 用数据，作为试验的有益补充。智能材料结构的功能更鞘鼋“甜醚鹱瓣簿雠澌。靼璀掘席璃疆缬脞葫噔压蚕 j ；鲤鲣冀囊藿囊萎塞冀囊薹翼j 塞蠡鼙荔雾霎囊。蠢霪囊蠹霉穗馐嚯域降形呱 滔卅曩i 艇錾幂堕型掣墚癸型丑墼瓮积鞴型釜摹鼻缉# 衙鞴；应变敏感性暖：刎莓 黟 电争刻电雹眭删雕塑莎霸蠢融幽! ；：霉鳃季囊霎墓囊群蘩錾墓霪瘌墓鬻委蓁 ； 越羽鞠聪轻玛鄂盖蚓纠烈鹣酽霸；籀鞘话刺鞫j 蠢豁窿菊期莉鳓韵，烈苗 巍薪 谱在布拉格波长处出现峰值，如图2 4 所示。由式( 2 一1 1 ) 知布拉格波长随行 和a 而改变，因此，任何使这两个参量发生改变的物理过程都 全息写入光栅 光纤 rz 二= 垂夔汇乡一， 输入谱 传输谱 反射谱 图 x 第一章绪论 意布置，亦是制约这种传感器应用推广的障碍。 光纤b r a g g 光栅传感器：光纤光栅是近年来光纤传感领域中最激动人心的新 型传感器，它具有线性输出、绝对测量、对环境变化不敏感、可构成传感网、全光 纤化、微型化等诸多优点，因而在智能结构中应用前景看好，发展迅速。 光纤光栅传感器明显优于其它类型光纤传感器之处在于：测量信息是波长 编码的，因此测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因 素影响，具有更大的实用性。1 ；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和 对固有参考点的需要：可方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个b r a g g 光栅进行分布测量。而且光纤光栅本身可靠性良好，国外已有采用光纤b r a g g 光栅 传感器实现桥梁内部应力应变长期实时监测的先例。1 。因而光纤光栅传感器在智 能材料结构中应用前景看好，发展迅速。 比较表明，光纤光栅传感器较其他两者具有明显的优点，更适合于工程结构 的实时监测与状态评价。 1 2 娌缉螋荔| 萋妻荔羹霪薹饕鋈囊鍪疆羹器鬟翼 ；? i 些啤蹦饲哺携啦嘣沤翔搿涮弹翱 i l ! l 削殓珏鼍蚓曦型唑瞥型臻燃秘雾j i 嚣埯l 妻争跳武劐带电髦嚣骚翮她纠 潞罂媳鲶，爝臻毽蕊蔼滏瞎啤唆珐峨磁剖珙一嘤 的光纤光 栅作如下假设：仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层以及被测物体由于热效 应而引发的其他物理过程；仅考虑光纤的线性热膨胀区，并忽略温度对热膨胀系 数的影响：认为热光效应在我们所采用的波长范围( 1 3 0 0 眦卜1 5 0 0 衄) 、在所研 究的温度范围内保持一致；仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之 间的温差效应。基于以上几点假设，可建立以下温度传感数学模型啪”1 。 仍从光栅布拉格方程出发，当外界温度改变时，将式( 2 1 1 ) 展开得 屯= 2 如玎a + 2 a = 2 f 鲁叭矿b + 鲁缸 a + 2 x 北京交通大学工学博士学位论文 两次年会上均有关于光纤光栅传感的特邀报告。到了2 0 0 2 年在美国波特兰召开的 第1 5 届年会上，关于光纤光栅传感器的已达到4 4 2 “7 。”1 。 光纤光栅对于入射光具有波长选择作用，即当一束光进入光纤b r a g g 光栅时， 只有满足一定条件的光被反射，其余波长的光都将透过光纤光栅继续向前传输。 光纤光栅传感测试系统测试原理的典型结构如图卜3 所示。光源发出的光经 3 d b 耦合器入射到光纤光栅上，而外界环境( 温度、应变等) 的变化会影响光纤光 栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起b r a g g 中心波长产生移位以，负载 光被光纤光栅传感器反射，再经耦合器导入波长移位检测器，在分析仪中即可检测 出携带外界变化信息的 3 。 图卜3 光纤光栅传感测试系统原理图 基于上述光纤光栅传感测试系统原理，目前对光纤光栅传感器的研究主要集中 在以下几个方面： ( 1 ) 温度与应变的交叉敏感问题 由于光纤光栅对温度与应变同时敏感，即温度与应变的改变均引起光纤光栅耦 合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分，这 种交叉敏感效应严重影响着光纤光栅在传感领域的应用。因为交叉敏感问题直接关 系到测试结果的准确性，解决应变、温度交叉敏感问题是光纤光栅传感器进一步发 展的关键。 近年来，国内外学者提出了很多解决温度和应力交叉敏感的方案，其中最具代 表性的方法有以下几种：双光栅矩阵运算法。这一方法为应力和温度同时测量提 供了重要的思想方法，很多方法都是基于这一思想，但由于其需要两套光源和光谱 第一章绪论 仪，因此在实际应用中有一定的局限性。基于双光栅矩阵运算法的思想，很多学者 提出了新的、改进的实现应力和温度同时测量的方法。啁啾光栅法。这种方法只 需一个光纤光栅，就可以在较大的应力范围内实现高精度的应力测量，还可以同时 测量温度，因此该方法具有很好的应用前景，但这种传感测量不再具有波长编码的 特点，在实际应用中必须同时测量参考信号，以消除光源输出功率起伏等因索引起 的测量误差。长周期光纤光栅和短周期光纤光栅混合法。这种方法的测量精度较 高，但其对光纤光栅的制作有较高要求，因此在实际应用中有一定的局限性。不 同光纤熔接法。每种方法各有自己的特点，使用于不同的场合”。 ( 2 ) 光纤光栅的光波信号解调技术 光纤光栅的光波信号解调技术直接影响到光纤光栅传感测试的性能价格比和 工程适用化问题。目前的光波信号解调大都采用光谱分析仪来实现，包括单色仪和 傅立叶变换光谱仪等。光谱分析仪的波长测量范围宽，分辨率高，能测量出微小的 波长移动量，用于分布式测量也极为简便，但它体积大，价格昂贵，一般都用于实 验室中，不适合于工程现场直接使用；而且，光谱仪不能直接输出对应于波长位移 的电信号( 电压、电流) ，这对测量结果的记录、存储和显示以及提供给控制回路 必要的反馈电信号以达到工业生产过程自动控制的目的都是极为不利的。所以，研 究结构简单且实用化的光波信号解调技术是使光纤光栅从实验室走向工程现场必 须要解决的一个问题。 目前国内外许多学者的研究工作都集中到这一方面，并己取得了令人瞩目的进 展，归纳起来，解调技术主要有3 种类型：只适合环境为动态情况的动态解调法。 如非平衡m z 干涉法、锁模调制法等；其中，非平衡m z 干涉法可以构成时分复 用分布式传感系统，具有低于唧级的应变分辨率，但是，不适于对绝对应变的测 量。锁模调制法通过选择不同的驱动频率就可监测任何一个传感光栅。但是，锁模 工作方式必须满足一个条件：光纤增益和光栅反射率在两个b r a g g 波长上应大致相 等。静态( 或准静态) 解调法。如可调光纤f - p 滤波法、参考光栅法、被动解调 法、环形反射器法、光纤光栅扫描滤波法等；这几种解调法虽然比较简单，但很难 进一步提高其传感精度。静态与动态结合解调法。包括：匹配光纤光栅滤波法( 该 传感方法结构简单、造价低廉，测试结果不受光源谱线包络可能存在的精细结构叠 北京交通大学工学博士学位论文 加的影响) 、栅色散法( 响应时间快，抗干扰能力强，但对波长的分辨率的影响较 多) 等。总之，这些方法各有不同的优缺点和使用范围，并且均有待于在实际应用 中进一步完善。”。 目前使用的光纤光栅波长解调仪，由于局限于仪器自身的数据处理功能，使得 其在多点、，多参数的测试系统中很难实现动态数据输出，为实时监测带来不便。另 外，光纤光栅传感器大多是利用解调仪器来追踪光纤光栅在外界环境影响后的 b r a g g 波长，再由波长变化计算出相应的被测量，这一系列的处理需要类似m a t l a b 一类的软件经过烦琐的运算才能实现，大大限制了动态数据采集、测量时的应用。 因此，要想实现现场的动态测量，波长解调仪器及相关软硬件的研究是非常必要的。 1 2 52 光纤光栅传感器的应用现状 图1 - 4 光纤光栅传感器的应用 光纤光栅是一种波长选择器，它的反射信号的波长，即b r a g g 波长随着作用 于其上的温度和应变的变化而变化。利用光纤光栅的这种效应，可以传感其它许多 物理量。如图卜4 所示，光纤光栅在传感技术中应用前景十分广泛，尤其是利用应 变敏感性可以间接测量很多物理量。目前人们已从单点到网络，从单参量、双参量 第一章绪论 测量到多参量测量进行了全面的研究，获得了很有价值的研究结果”+ ”1 。 光纤b r a g g 光栅传感器从一诞生起就得到了结构健康监测研究人员的广泛关 注。这种新型技术首先应用于航空航天领域的无损检测，随后应用于航海领域如监 测波动负载下的动态应变。目前，光纤b r a g g 光栅传感器的应用重心已转向民用建 筑，如桥梁、水坝、管线、隧道、矿场、核存储容器、建筑物和道路等。 1 3 缆索损伤检测技术及国内外现状 作为一种工程中常用的结构构件，缆索结构不仅已广泛应用于土木工程结构 ( 斜拉桥、悬索桥、张拉索穹顶、塔桅结构等) ，而且已用于航天结构( 网状天线 等) 。缆索结构的健康状况直接决定着缆索支撑结构的健康状况，因此对其状态进 行健康监测非常必要。 1 3 1 缆索的损伤 常见的缆索损伤方式有以下几种”1 。 缆索的腐蚀疲劳断裂：缆索处于跨江河、跨海湾地域，长期暴露在风雨、潮湿 和污染空气的环境中，钢丝索体和锚具结构件容易遭受腐蚀破坏，国内已有早期斜 拉索腐蚀破坏失效，而不得不实旖换索的实例。 缆索的振动危害：缆索属于长径比很大、阻尼相对很小的构件，在风等其它荷 载的激励下极易发生振动。拉索的振动使其根部出现反复的弯曲应力而导致疲劳破 坏，同时，拉索的振动还会引起刚性护筒及其锚具的破坏。因此，缆索振动的检测 与控制一直是国内外研究的热点。 旄工质量不好及养护不当：主要是施工安装过程中造成切口、划痕、套筒搭接 不良和钢丝对接失败所致。 张力松弛：使用过程中由于种种原因引起的预应力损失，一直是国内外工程界 关注的焦点，因为索力的重分配，将对索支撑结构产生重大影响。 通过对缆索张力的检测，可以及时发现由于各种原因引起的应力松弛：而对于 缆索的腐蚀等其它类型的损伤，应通过能够反映缆索局部健康状况的方法来检测。 北京交通大学工学博士学位论文 1 3 2 传统检测方法”“一1 1 3 2 1 缆索张力的检测方法 ( 1 ) 压力表测量法 压力表测量法的原理就是根据液压千斤顶张拉缆索时油泵上油压表的读数来 推算它的张拉力，并认为液压千斤顶的张拉力就等于缆索索力。 ( 2 ) 压力传感器测量法 张拉时，千斤项的张拉力通过连接杆传到缆索锚具，处在千斤顶张拉活塞与连 接杆螺母之间的传感器在受压后输出电信号，于是就可以在配套的二次仪表上读出 千斤顶的张拉力。 ( 3 ) 频率法 频率法基于弦振动原理。将缆索近似看作自身重量忽略不计的悬弦拉线，对于 弦振动，其振动方程为 窘一丁窘= 。 m - ， 解方程可得缆索张力为 仁4 r 倒 式中，工为缆索长度：一为截面面积；p 为单位体积索的质量 ( 1 2 ) n 是索的振动阶次 ，：，为索的 阶自振频率。 前两种方法一般仅适用于缆索张拉过程中索力的测定，很难对已张拉的缆索索 力进行复测，因此，当需要对已施工完毕的缆索进行索力复测时，频率法几乎是唯 一选择。而频率法本身原理上就存在一定的误差，因此有很大的近似性。 安装在拉索锚固端的特制压力传感器可以实现拉索张力的长期检测，但一般压 力传感器的售价相当高，特别是大吨位传感器就更贵，自身重量也大。因此这种方 法虽然测得的精度好，却只能在特 x 第一章绪论 1 3 2 2 缆索损伤的检测方法 ( 1 ) 人工检测 长期以来，人们对于缆索的人工检测主要是检查索系统是否遭受腐蚀，索是否 有倾斜，各紧固件是否松动。定期清查索腐蚀的钢丝数量，判断其腐蚀程度( 见表 卜1 ) 。当腐蚀根数和受腐蚀的程度等级叠加后相当的断丝根数超过总丝数的5 应 及时更换此索。人工检测花费大量的人力和物力，而且检测的结果仍不能满足所有 的安全需要，对突发事故无法实现实时检测。 表卜l 缆索腐蚀程度分级 ( 2 ) x 射线检查 其工作原理是将光电转换技术和计算机数字图像处理技术相结合，把不可见的 x 射线图像经增强方法转换为视频图像来判断损伤。在缆索的自由长度范围内，x 射线检查可用于各种缆索的检测。但不宣用于锚固区，并且，现场工业x 射线探伤 作业易发生超剂量照射等事故。 ( 3 ) 局部漏磁检测 其原理是通过测量被磁化的缆索表面泄露的磁强度来判定缺陷的大小。一旦缆 索的表面有损伤或断丝，一部分磁场将从断口中泄露出来，这一外泄的磁场可被传 感器检测。当遇到缆索内部缺陷产生的材料间断时，磁力线将会发生聚集，从而引 起可被检测的漏磁或磁场变化。德国约于1 9 7 0 年开始将能够同时检查局部缺陷和 测量金属横截面面积缩小的电磁设备沿缆索检测，我国近年来也探索了以斜拉桥缆 索的防腐喷涂为目标，基于局部漏磁检测原理的爬升机器人检测斜拉桥的拉索。这 1 7 j b 京交通大学工学博士学位论文 种方法尚不能检测缆索延伸在主梁内部的损伤情况，而且设备复杂。 ( 4 ) 应变片和钢筋变形计 常用于测量缆索不同位置处钢绞线的应变，这种方法长期监测效果差，灵敏度 低，而且每个应变片要求两根导线，对绝缘要求高，如测量点多，其安装和维修费 用将是惊人的。 1 ，3 3 缆索智能监测。“删 为了实现对缆索长期工作状态的实时监测，确保其使用期内的安全运行，瑞典 学者曾基于于涉型光纤传感原理提出过智能锚索系统的构思，但限于这种测量原理 的复杂性和系统集成的技术难度而未获得任何突破性的成果。武汉理工大学的孙东 亚等人提出了基于微弯强度调制光纤传感系统的智能锚索结构( 如图卜5 所示) ， 该结构应用0 t d r 技术，可以实现锚索应变的分布测量，其缺点是精度较低。孙东 亚等人也曾提出基于光纤b r a g g 光栅传感器的智能锚索结构的设计方案，基本构思 如图卜6 所示，其存在的问题是工艺上较难实现。 钢绞线 高强钢丝绳 加筋保护 图卜5 微弯强度调制传感器在钢绞线中的耦合及应用 可联! 盔渤峪嘭霉贬黝它表现葑霉。点漂移毅；蚴爨勰提供刑机械损伤；腐蚀 初氢伽墒焉堑舌篙鼎辣。鞋糕群箫承稽揸翌茈秉纂雀筝笙晶尊群* ：翻辫晒到帮 酉祜卯数疆惦莉积船a 麒， 不能保证。 第二章缆索智能结构中的光纤光栅传感技术研究 第二章缆索智能结构中的光纤光栅传感技术研究 传感测试技术是实现缆索智能监测的关键。近期发展起来的光纤光栅传感技术 为实现缆索监测的高精度、远距离、分布式和长期性要求提供了良好的技术手段。 光纤光栅是一种沿光纤长度方向使折射率产生周期性扰动形成的元件。具有均匀周 期的光纤b r a g g 光栅因其抗电磁干扰、高灵敏度、结构简单等优点，已经广泛应用 于拉伸、温度、应变等物理量的测量中。本章重点研究光纤光栅的传感原理以及光 纤光栅传感中应变与温度的交叉敏感等问题，为基于光纤光栅的缆索智能结构的设 计奠定基础。 2 1 缆索智能结构的设计思想 要实现对缆索及其工程结构的长期实时健康监测，必须合理选择能够真实、全 面反映缆索损伤的状态参量。根据缆索结构的特点，本文提出并设计了两种形式的 基于光纤光栅的缆索智能监测系统。 21 1 基于光纤光栅的缆索张力监测系统的设计思想 缆索是索支撑结构的主要承力构件，通过对缆索张力的监测可以及时发现使用 过程中由于种种原因引起的缆索预应力减退等缆索病害。不仅能对缆索本身的健康 状况实时监测，而且可以发现缆索支承结构体系的安全状况，所以对缆索张力进行 监测具有重要意义。而目前工程上常用的索力测试方法均难以快速准确地测得索力 实际值。再者，对于大型结构而言，结构中可能同时有多根缆索，分布范围很大。 要实现对全部缆索的长期实时监测，传统的电测方法难以满足要求。 基于以上原因，本文提出基于光纤光栅的缆索张力监测系统的设计。 2 1 1 1 缆索张力监测系统的组成及工作原理 缆索张力监测系统主要用于监测缆索工作时由各种原因引起的缆索张力的变 化，它主要由传感部分、数据采集与处理部分以及健康诊断与安全评定部分组成， 如图2 一l 所示。传感部分是指由光纤光栅和弹性元件组成的压力传感器，数据采集 2 l 第二章缆索智能结构中的光纤光栅传感技术研究 周期性调制而形成的。将光纤置于周期性空间变化的紫外光源下，即可在光纤芯中 产生这样的折射率变化。由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变， 导致一定波长的光波发生模式藕合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异 性。 图2 3 光纤中的b n g g 光栅 光纤芯的折射率在沿轴线方向存在不均匀性的波导称为非正规光波导。非正规 光波导不存在严格意义下的模式，即无g ( x ，y ) e 一忙形式的场解，使它同时满足非正 规光波导的麦克斯韦方程和边界条件。但是，在这种情况下却可以找到某个正规 光波导，使得非正规光波导内的场可以展开成这个正规光波导的一系列模式之和， 即 e o ，弘：) = 口，( z ) e ，( y k 竹。 ( 2 - 1 ) 这时。光在光纤中传输的总功率不变，但各个模式的功率a j ( z ) 都在变，即一 些模式的功率转换给另一些模式，这种转换就是非正规光波导所特有的模式耦合。 根据波导理论，光入射到光纤以后，只有那些满足导模条件的模式才能在光纤 中传播：通常在光纤中同时存在正向传输的模式和反向传输的模式1 。从模式耦 合的角度看，每一个模式的振幅都是由该模式本身以及该模式与其他模式的耦合作 用共同决定的，可以用耦合振幅方程表示为 北京交通大学博士学位论文 将引起光纤光栅布拉格波长的漂移。 应力、应变的变化直接影响光纤光栅布拉格波长的漂移。因为无论是对光纤光 栅进行拉伸还是挤压，都势必导致光栅周期a 的改变，并且光纤本身所具有的弹光 效应使得有效折射率n 。，也随外界应力状态的变化而改变。因此，光纤光栅在光纤 传感领域中最直接的应用，就是采用光纤b r a g g 光栅制成光纤应力应变传感器。 为了使问题既简单又能最接近实际情况，在建立应力应变传感模型时，提出以 下几点假设：光纤光栅作为传感元，其自身结构仅包含纤芯和包层两层，忽略所 有外包层的影响；由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹 性体，遵守虎克定理，且内部不存在切应变；紫外光引起的光敏折射率变化在光 纤横截面上均匀分布，且这种光致折变不影响光纤自身各向同性的特性，即光纤光 栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。“。 由弹性力学可知，广义虎克定理可以表示为 口= g s ，( f ，= i ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 )( 2 一1 2 ) 式中，a ，为应力张量；c 。为弹性模量；s ，为应变张量。 对于各项同性介质，由于材料的对称性，可对c ，进行简化，并引入1 a m e 常数 五、来表示弹性模量得到 五+ 2 “ 0 0 o 五+ 2 “ o o o 五+ 2 “ o o 0 ooo ooo o oo “ 0o 0n0 00 “ 其中，l a m e 常数丑、可由材料弹性模量e 及泊松比v 表示为 ( 2 一1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) 自如融以如缸 饥加以加以办 击赤勰 北京交通大学博士学位论文 光钎光掇及射模的有效折射翠砼，故可将上式变形为 酬= ( 特一等 由于n 甜= 协硝钇扯，式2 一1 8 中略去波导效应其余项可变形为 凡= 2 a 一! ( 去 + ：”够屯三釜 c z ：z ， 式中，= 址三纵向伸缩应变。 实际上，在外界应力存在的情况下相对介电抗渗张量鼠应为应力盯的函数， 对岛进行泰勒展开并约掉高阶项，利用式( 2 1 6 ) ，同时引入材料的弹光系数量得到 ( 专j 识m ：弦，峨 ( 2 - z 2 ) 上式利用了光纤的轴对称性占。= 占。将式( 2 2 2 ) 代入式( 2 2 1 ) 得到弹光效应导致的 相对波长漂移为 等= 一孚，峨b ，塥乞 + 屯 ( 2 _ 2 3 ) 式( 2 - 2 3 ) 中利用了均匀光纤在均匀拉伸下满足的条件 竿喜：1 ( 2 啦) a 彪 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 - 2 3 ) 得到 等斗譬m ：p 吨j i 汹娟刮叫 协2 s ， 此式即为光纤光栅由弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数。式中， 见= n 易 见2 一、，( p ，+ p n ) 】2 为有效弹光系数；p 。和a ：为弹光系数；v 为纤芯材 料的泊松比；也是光栅布拉格反射波长：五为外界应力作用下光栅布拉格波长的 移动量；占。为光纤的轴向应变。 由式( 2 2 5 ) 得到光纤光栅由弹光效应引起的波长漂移的应变灵敏度系数为 3 0 第二章缆索智能结构中的光纤光栅传感技术研究 膨胀系数盘= 5 5 1 0 。7 o c ，其他参数如前所述，得到光纤光栅相对温度灵敏度系数 为o 7 3 5 1 0 。c ，如果取波长为1 5 5 0 m ，可得单位温度变化下引起的波长漂移为 1 1 3 9 p m o c 。 可以明显看出，当材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上是唯一与 材料系数相关的常数，并且光纤光栅的布拉格波长移动与温度变化成线性关系。 由以上分析可知，温度变化o 1 0 c ，相当于l e 引起的布拉格波长漂移，而在 缆索智能结构中，只有应变引起的波长移动属于被测信号，而温度等其它因素引起 的波长移动属于干扰信号。由此可见，为了保证缆索智能结构中光纤光栅的传感精 度，必须剔除温度对其布拉格波长移动的影响，即必须进行温度补偿。 2 5 缆索智能结构中的温度补偿研究 2 5 1 温度补偿原理 由光纤光栅传感原理可知，f b g 波长受温度和应变的双重影响，当光纤b r a g g 光栅传感器所受应变或温度发生改变时，光栅中心反射波长都会产生相应的移动。 由上节的分析可知，当温度或应变恒定时，波长的移动由应变或温度的改变引起。 当作用于b r a g g 光栅上的温度、应变同时改变时，仍从光栅布拉格方程出发，将式 ( 2 一u ) 展开并忽略高次项可得。2 “3 九= 2 疗盯a + 2 珂a = ( 1 一p ) 占+ ( 口+ 掌) ， ( 2 3 3 ) 此时，单个光栅无法确定波长的移动由什么参量的改变引起，更无法确定参量 的改变量大小，即波长本身并不能区分温度与应变各自引起的波长变化。这就是温 度与应变的交叉敏感问题，它直接关系到测试结果的准确性，是缆索智能结构中必 须要解决的问题。 在缆索智能结构中，采用参考光纤光栅来消除温度对应变测量的影响。将温度 补偿参考光栅与应变测量光栅串联在一路光纤上，测量光栅根据需要粘贴在缆索结 构的表面或植入缆索结构的内部，参考光栅处于自由状态且与测量光栅处于相同的 温度场中，所用两个光纤光栅的温度灵敏度系数应相同。 北京交通大学博士学位论文 如果测量光栅f b g 。和参考光栅f b g 。的布拉格反射波长分别为九。和五：，当温度 发生变化时，假设测量光栅的布拉格波长漂移为矗，参考光栅的布拉格波长漂移 为五：，。则两者之间存在如下的关系 此时可以得到应变表达式 叫，= 粤酬： 九2 占：竺! 二垒蕉 k 。 式中，丑，为由应变和温度共同引起的测量光纤光栅的波长漂移 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 世。为测量光纤光栅的应变灵敏系数。 这样即可达到温度补偿的目的。 在对缆索状态的实时监测中，有时需要知道其温度的变化数值。这时，可以考 虑采用将温度和应变同时测量出来的方法来达到目的。 双波长法是通过测量两个b r a g g 波长的偏移来实现对应变和温度的同时测量。 其基本思想是通过两个同时包含应变和温度与f b g 波长变化关系的联立方程，分别 解出应变和温度的变化量。当将两根应变和温度响应系数各不相同或有一个不相同 的光栅组成的光栅对做成传感头时，分别测量在相同应变和温度条件下两光栅波长 的漂移五，实现温度和应变的双参数同时测量。 九l 九1 九2 九2 = p船h 暑 ( 2 3 6 ) 式中，_ 1 为传感器灵敏度矩阵。 从上式可以看到，应变和温度的测量误差是由波长测量误差和矩阵元的误差共 同决定的。根据线性方程组理论，解对误差的灵敏度是由系数矩阵的条件数来评价 的。如果矩阵的条件数c o n d ( k ) l ，则方程是病态的；如果矩阵的条件数 c o n d ( k ) 一一1 ，则方程组是良态的。 第二章缆索智能结构中的光纤光栅传感技术研究 这类方法充分利用了光纤光栅波长编码的优点，但需要中心波长距离较远的两 个光栅，因此往往需要两套宽带光源和波长解调系统，所以在实际应用中局限性很 大。 除此之外，还可以采用双参量法来达到应变和温度同时测量的目的。双参量法 的基本思想与双波长法相同，它是采用一个对波长而另一个对应变和温度同时敏感 的物理量进行测量的方法。该方案结构简单，但其不再是波长编码的方式，易受光 源波动等其他因素的影响。 下面将对本文提出的、适合于缆索智能结构的温度补偿方法进行试验研究。 2 5 2 温度补偿试验研究 温度补偿试验装置如图2 5 所示。图中虚线代表所用的温度自动控制箱，其温 度控制范围为2 0 2 0 0 。c ，精度为l o c 。夹具l 和滑轮均固定于支架上，试验中采 用在光纤一端加砝码的方式给f b g 施加轴向应力。试验所用光栅的自由波长为丑= 1 5 4 5 o o n m ，厶= 1 5 5 0 5 4n m ，其中f b g 。为测量光栅，f b g 。为温度补偿光栅，图2 6 是光纤光栅的透射谱图。为了验证温度补偿结果的可靠性，首先分别进行光纤光栅 温度和应变的传感特性试验。 图2 5 试验装置图 温 度 控 制 箱 第二章缆索智能结构中的光纤光栅传感技术研究 个特性，根据式( 2 3 4 ) 和式( 2 3 5 ) ，可以用f b g 2 对f b g i 进行温度补偿。 波长( n m ) 01 02 03 04 05 0 6 07 08 0 f b g l 温度响应曲线- f b g 2 温度响应曲线 线性( f b g l 温度响应曲线) 一线性( f b g 2 温度响应曲线) 图2 8 光纤光栅温度响应曲线 温度( o c ) 当温度和应力同时变化时，测量f b g i 和f b g 2 的透射光谱，绘出曲线，如图 2 9 所示。 0 l o2 03 0 4 05 0 补偿前 _ 补偿后线性( 补偿后) 一线性( 补偿前) 图2 9 光纤光栅温度补偿曲线 皓码重量( g ) 比较得知，补偿后的曲线与仅受应力时的曲线几乎相同。可见，采用以上温度 眦妣刚触； 嘶 铋 铋 ： 雅 雒 弘 弘 弘 i 如舅蚰矗笔钟墨硅科w 鲥 静鞘葛辫揣曩瓠鞘蒯溉荔函熬型萋缎驯蚴融鳃驯；臻甥曩篓鎏篓； i l ! 蠢耄弭茎蠢羹戮戤燮 e 型纽制列燃萝型罾掣拳塞套掣占叁筹磐，剥囊雨季骊面享铲剑鹫封j 醚明纠 咤：蠊固谭望瞪撒崾哪透限鲫舅菲二孺滋澹鬣烈甾= 到冀积赫鼬i 离也大王剃掣络 觊鲤薛驰那驰。 l ，墨。暮霆薹毳璧蒌羹| 薹! ? 。i 罚 p 主赫从健甜萎龠耗龋露捌划篇墨彰稻程j 鬟黝堑叁爱篓要搿蹦等量罢；黏尝 釜蕾囊漕勇制秘翘辖习既鲢龆驸鎏影琏艇薹萄髯濡氇皤曦嶝；名誉鲚程矮魁蒸掣墨 童窑阜芝墨匿籀璁；! ! 1 9 墓静赞骄驿协篡匦磐嶷型罂譬娄毫磁型；漂鞘氍删剥甄鲁葡霸 商替烈善量囊吲赛q 丽酸鼙蹲媳黧酬睨髯烈高裂昏，黼戮篙鬈i 荔翌州；鹫薄| ? 霓氮毵；匕 瑟目；稽箕把鳕蔺辫玩彭鼓在实匿毒蛋普j 塑淳管硬手传感器i 内f 彭 疑丽穗蠢囊强蠹蛆鞋墼驯：；篓眸融翻厕币峨确鞘雪晁争薪石的光纤光删塾瑟果 睁蠢撼吲翮萝煮萋矗罂善王甲僵用阳戎； 攀蓦妻 誊冀墓璧 薹爨篓誊 薹批；茳掣毙f # 葚霄翟墨删屹霸峨荔嬲蚴努雒；r 主割 影联! 盔渤峪嘭霉贬黝它表现葑霉。点漂移毅；蚴爨勰提供刑机械损伤；腐蚀 初氢伽墒焉堑舌篙鼎辣。鞋糕群箫承稽揸翌茈秉纂雀筝笙晶尊群* ：翻辫晒到帮 酉祜卯数疆惦莉积船a 麒， 不能保证。鉴于以上原因，本文设计了 一种特殊的结构形式来实现缆索智能结构中光纤光栅传感器的封装保护和温度 补偿。如图2 1 0 所示。焊接f 弹性悄、i 图2 1 0 传感器结构示意图 型 x 第二章缆索智能结构中的光纤光栅传感技术研究 颤振 信号 反馈系统 图2 1 2 可调谐f p 滤波法原理框图 由于光纤的波导作用，可调谐光纤法布里珀罗腔的腔长可阱是几厘米、几米、 甚至几十米，而且其细度很好。所以，与其他解调方法相比，更有利于研究具有高 灵敏度、光能利用率高、操作简单和适用于工程应用的波长移位检 9 1 4 技术。因此， f f p f 在光纤传感领域的应用极具前景。 其不足之处是光路中含有非光纤元件，因而光损耗较大，并且高性能的可调法 布里一珀罗滤波器一般价格昂贵。 2 6 3 匹配光纤光栅法 用与传感光纤光栅参数完全相同的参考光纤光栅可以探测传感光纤光栅的波 长移动。”1 。如图2 1 3 所示。通过调谐参考f b g 的反射中心波长来追踪传感f b g 的中心波长，当两f b g 的中心波长相等时，接收光强最大，参考f b g 达到与传感 f b g 中心波长的完全匹配，则参考f b g 的中心波长值即为测得值。 该方法原理简单j 澎谳罐。臻酣器钎罐霹稀葱谨增耳卉餮刮i 瑚懈赶味璀德 灞i 舟! 澎剖猎嘲臻猫眭；监趔系统中起诀定性作用的= 是地力赁露嚣掣篓遂功强嘲翟 峨，骥蝗以删蝎：落耀渗灞淫洋凶； 是? 索张力监测系统 北京交通大学博士学位论文 图2 一1 3 匹配光纤光栅解调法 l 光源d 光撵测器 在缆索智能结构的设计中，我们采用了日本a n d o 公司的f 2 0 0 光纤光栅波长 监测仪。该监测仪采用c c d 同时检测空间光谱的方法( 原理如图2 一1 4 所示) ，此 法的原理是：用衍射光栅等分光元件，将传感用光纤光栅的反射谱( 或透射谱) 经 透镜准直后在空间展开，再用c c d 同时直接测出各波长的相对光强。此法的优点 是响应时间快，抗干扰能力强。不足之处是：对波长的分辨率的影响因素较多，诸 如准直透镜的成像质量、焦距、衍射光栅的光谱分辨率、c c d 的空间分辨率等。 光纤 q 镜 透镜 光栅 光二极管阵列 图2 1 4g 法波长监浏原理 f 2 0 0 波长监测仪没有活动部分，保证了仪器的紧凑性、高可靠性和高速测量： 其固定的衍射光栅保证了仪器的鲁棒特性，而且尺寸小，重量轻，可靠性高，能满 足缆索智能结构设计的要求。 2 7 小结 第二章缆索智能结构中的光纤光栅传感技术研究 本章首先提出了基于光纤光栅的缆索智能结构的概念，主要对该智能结构的传 感元件光纤b r a g g 光栅的传感理论进行了研究。首先应用模式耦合理论建立了 光纤b r a g g 光栅的理论模型，在此基础上，进行了光纤b r a g g 光栅应变传感特性的 研究，分析了温度对应变传感特性的影响，提出了适合于缆索智能结构的温度补偿 方法，并进行了试验研究。研究结果表明：光纤b r a g g 光栅传感特性良好，将其应 用于缆索智能结构中是可行的。 第三章基于光纤光栅的缆索智能结构的关键技术研究 联立以上各式解得 f 弘亩 _ 4 ) 式中，f 为作用于弹性元件上的轴向力；4 为弹性元件的横截面积：e 为弹性元件 的弹性模量。 此应变传递给粘贴在弹性元件上的光纤光栅，它又将其转换为b r a g g 波长的相 对变化 孕：( 1 一p 。) t ( 3 5 ) 则 等邓他，吉 九 删 ( 3 6 ) 整理得到光纤光栅的布拉格波长与轴向力的关系为 哦= ( 1 一p c ) 刍五6 ( 3 _ 7 ) 式中，五。为f = o 时的光栅布拉格波长。由此可得 n 器 净s ， ( 1 一见) 7 式( 3 6 ) 和式( 3 7 ) 都表明，在弹性体材料和结构尺寸不变的情况下，光纤光栅 的布拉格波长及其相对变化率与缆索张力呈线性关系。因此，通过对波长移动量的 测量，就可以由式( 3 8 ) 得到缆索张力的大小。 ( 3 ) 参数选择 根据试验模型中缆索锚具的结构尺寸，首先选取该传感器的弹性体的内径 庐1 5 m m 。 外径的选择要根据弹性体承受的最大压力和所选用材料的允许应力h 】来计 算9 ”。 所以 由于 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) h 一扩 ) 一i _ 2 一n一 d 一 p焉 2 n 0 北京交通大学博士学位论文 假设所受最大压力为2 0 k n ，根据上述公式计算，经过圆整得d = 2 0 m m 。 弹性体高度对传感器的精度和动态特性都有影响，由材料力学可知，高度对沿 其横截面的变形有影响。当虽1 时，沿其中间截面上的应力状态和变形状态与其 端面上作用的载荷性质和接触条件无关。所以，此处日的确定，主要是要考虑到弹 性体在索力的作用下，使光纤光栅工作区域的应变场具有足够的均匀性，对于本文 选择的传感器结构形式，要求满足 日d d + z( 3 1 1 ) 考虑加工和试验中操作方便，本文选择日= 4 5 m m 。 弹性敏感元件的动态特性和变化时的滞后现象，与它的固有振动频率有关，一 般总是希望它有较高的固有频率。柱形弹性元件的固有频率的数值厶可用下式进行 估算 删m 寺鲁 式中，m ，为弹性元件单位长度的质量，由下式计算 肌f ；4 p ( 2 1 3 ) 式中，p 为弹性元件的密度。 对于本文设计的弹性元件，计算可得兀= 2 8 5 7 4 h z 。 研究表明，缆索张力变化较慢，振动频率较低，所以，该弹性元件完全满足要 求，能够实现对缆索张力及固有频率的实时监测。 ( 4 ) 温度对压力传感器精度的影响分析 理论分析 由第二章分析可知，环境温度变化导致的总的b r a g g 波长相对变化为 兰；! l = ( 口+ 善) r ( 3 1 4 ) 其中，口表示光纤的线性热膨胀系数；孝表示光纤光栅的热光系数。 4 8 北京交通大学博士学位论文 验过程中，电阻应变仪直接读出的一组试验数据。 波长( n m ) 1 5 4 8 1 5 4 7 5 1 5 4 7 1 5 4 65 1 5 4 6 1 5 4 55 1 5 4 5 1 j 4 45 1 5 4 4 1 591 31 72 l2 5 闰3 - 5 光纤光栅压力传感器的波长一载荷曲线 应变( “) j 0 0 0 5 0 0 一1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 5 1 31 72 l2 5 图3 6 光纤光栅压力传感器的应变一载荷曲线 ( - d q ) 力( 州) 第三章基于光纤光栅的缆索智能结构的关键技术研究 应变( 扯) 臣 图3 - 7 电阻应变片的应变一载荷曲线 力( 心4 ) 传感器静态特性分析 a 线性度分析 线性度是表征传感器输出一输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合( 或 偏离) 程度的指标，由光纤光栅与电阻应变片测量的试验数据拟合方程呈明显线性， 其线性拟合度达到o 9 9 8 以上，所以其线性度是相当好的。 b 传感器灵敏度分析 传感器的灵敏系数与其敏感光栅材料本身的灵敏系数不同。它受弹性体材料、 结构形状和粘接剂等性能的影响。传感器灵敏度是指测量特性曲线上传感器的输出 增量与输入增量之比，即 j i ：竺 ( 3 1 8 ) 出 显然，线性传感器的灵敏度就是其拟和直线的斜率。由本节计算可知，该压力 传感器灵敏度理论值为1 0 1 0 8 pe k n 。而从试验蓝线上可以得到：电阻应变片的灵 敏度为磁= 1 0 6 3 9pe 斟，其值偏大；光纤光栅压力传感器的灵敏度为 k ：= 1 0 0 0 9 “s k n ，该值与理论值基本符合，其较小的测量误差主要是因为粘贴 胶的影响以及光纤光栅灵敏度系数的近似取值等。 湖 。 咖 鼢 差i 咖 黜 一 o 也 北京交通大学博士学位论文 c 迟滞 是反映传感器正、反行程过程中输出一输入特性曲线重合程度的指标。通常用 正、反行程中输出的最大偏差与满量程输出之比的百分数来表示 ：竺釜l o o ( 3 一1 9 ) yb 将试验数据代入上式，计算得光纤光栅传感器的迟滞误差为o 2 4 9 ，应变片 的迟滞误差为o 3 5 9 。 d 重复性 重复性是衡量传感器在同工作条件下，输入量按同方向作全量程连续多次 变动时所得特性曲线间一致程度的指标。重复性误差可用下式来表示 = 冬坚l o o ( 3 2 0 ) 式中，。为几次正向行程或反向行程输出的最大差值：，k 为满量程输出值。 在相同条件下，经过5 次对压力传感器加载计算得到5 条曲线的重复性误差为 = 1 0 4 9 。 e 压( 拉) 力分辨率 压( 拉) 力分辨率是传感器的一个重要特性指标，它直接反映传感器对微小压 ( 拉) 力的反应能力。 传感器输出一输入关系不可能都做到绝对连续。有时输入量开始变化，输出量 并不随之相应变化，而是当输入量变化到一定程度时输出量才突然产生一个小的阶 跃变化。 压( 拉) 力分辨率是与灵敏度紧密联系的。因为所用波长监测仪的波长分辨率 为o o o l n m ，当光纤光栅的中心波长在1 5 5 0n m 附近时，相当于应变读数精度为 o 8 2 7 e ，根据测得的光纤光栅的灵敏度计算可得，传感器的压( 拉) 力分辨率为 型婴：磐：8 2 6 n l o o 0 9 随着波长监测仪的精度的提高，光纤光栅压力传感器压( 拉) 力分辨率可以达到更 高。 第三章基于光纤光栅的缆索智能结构的关键技术研究 传感器量程分析 传感器所能测量的最大被测量的数值称为测置上限，最小的被测量称为测量下 限，测量上限与测量下限的差值称为传感器量程。 通过上面的分析可知，对于本文设计的传感器，最小的压力测量