（光学工程专业论文）光纤法布里珀罗应变传感器的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文首先介绍了应变测量的意义和国内外发展概况，分析了各种应变测量方法的优 势和不足，提出了本文的研究内容。然后对光纤法布里一珀罗传感器的原理进行了详细 的研究，分析了自补偿干涉强度结合调制型法布里一珀罗传感系统用于应变测量的优势 和意义。 光纤应变传感器系统中，传感元部分采用本实验室制作的非本征型光纤法布里一珀 罗腔传感头，应变信号解调采用自补偿干涉强度结合的解调方法，宽谱光源采用中心 波长为1 3 1 0 1 l m 的l e d ，用粗波分复用器( c w d m ) 将传感头反射回的光分为窄谱和宽谱 两路，将两路光信号相除得到比值信号，比值信号可以消除光源以及光纤损耗引起的光 功率波动对测量的影响。该系统既可以对静态应变进行测量，又可以对动态应变进行实 时监测。对于静态应变测量的线性范围达2 0 0 p s ，最小分辨率可达o 5 s ，在动态应变 测量中，可以准确获得悬臂梁的振动频率，响应频率达到1 k h z 。实验结果表明，由于 该系统采用了自补偿干涉强度结合调制方法，用于应变测量不仅可以获得高的分辨率 和稳定性，而且具有较高的动态应变响应频率，能够应用于大型结构的长期实时应变监 测和振动测量。 关键词：光纤传感器；法布里一珀罗干涉仪；应变测量；自补偿方法： 光纤法布里一珀罗应变传感器研究 t h ei n v e s t i g a t i o no ff i b e r o p t i cf a b r y p e r o ts t r a i ns e n s o r a b s t r a c t s t r a i nm e a s w e m e n ti sb e c o i n i n 叠m o 蕾ea n dm o r ei m p o n a n t 恤i n d u s t r ya n dd v ns t r u c t u r e m o n i t o r i n g h lt h i sp 印c r ，t l l ew o r k i n gp r i n c i p l eo ff a b r y p e r o tf i b e ro p t i c a ls e n s o r si s i n v e s t i g a t e di nd e t a i l t 1 l es i 鲫f i c a n c eo fs e l f - c a l i b r a t e di n t e r f c r o m e t r i c i m e n s i t v - b a s e d o d t i c a lf i b e rf ps e n s o r sf o rs t r a i nm e a s u r e m e n t si sa n a l v z e d i n 疗b e ro p t i c a is t r a i ns e n s o fs y s t e m ，m ee x t r j n s j cf i b e rf 曲f y - p o r mi n t e r f e r o m e t r i c ( e f p i ) c a v i t yf 曲r i c a t e d i no u rl a b o r a t o r yi su s e da st h es e n s i n gu n i ta n da s e l f - c a i i b r a t e d i n t e r f e r o m e i c - i n t e n s i t y 出a s e d ( s c i i b ) d e m o d u i a t i o nm e t h o di se m p l o y e dt od e m o d u i a t et h e s t r a i ns i g n a l t h ec e n t r a lw a v e l c n 昏ho ft h el i g h t - 锄i t t i n gd i o d e ( l e d ) l i 班ts o u r c ei s1 3 1 0 i l m ac o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l c x e r ( c w d m ) s e p a r a t e st os p l i tt h er e n e c t e dl i 曲t s ， c o m i n gf 如m 也ef - pc a v i ty ，i n t ot w ob 啪c h e s ，w h i c hc o n t a i nan a r r a w b a i l ds p e c t r u ma n da b r o a d b a n ds p e c t m m t h er a t i oo ft h et w ob i a n c hs i 蹲1 a l sc a ne l 如1 i n a t et h ei i l n u e l l c eo ft h e 豇u c t u a t i o no f b o t ht h ei i g h ts o u r c eo u t p u tp o w e ra n d 曲e r 王o s s 1 h es e n s o rs y s t e mj sa b l et o m e a s u r eb o t hs t a t i ca n dd y n 锄i cs t r a i l l e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti ns t a t i cs _ 【r a i n m e a s u f e m e n t st h ef u l ls c a l eo f2 0 0 p ga n dt h em i n i m u m r e s 0 1 u t i o no f0 5 “占c a nb er e a c h e d i nd y n a m i cs t r a i nm e a s u r e m e n t st h ea c c u t a t e 丘e q u e n c vo ft h ec a n t i l e v e tc a nb ed b t a i n e d t h e e x p e d m e n t a lr e s u l t s a l s os h o wt h a tt h es c i i bs e n s i n gs y s t e mi ss u i t a b l ef o rs t r a i n m e a s u r e m e n t sa n de s p e c j a l l yf o rd y n a m i cs t r a i nm e a s u r e m e n t s i tj sm o r es t e a d yb e c a u s ei t c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so ft h ei n t e d e r o m e t r ya j l di m e n s i t ym o d u l a t i o nm e c h a n i s m k e yw o r d s ：f j b e ro p t i cs e n s o r ；e x t 血s i cf a b r y - p e r o t i n t e m m m e t e r ；s e l f _ c a l i b r a t e d m e c h a n i s m ；s t i a i nm e a s u r e m e n t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盏生型日期：之翌z ：互：! 莎 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盗型 导师签名：壬至菱公l 坦i 年厶月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 应变测量的意义 结构健康监测( s t n l 咖i a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称s h m ) 指的是利用现场的无损 传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化 的目的【”。对大型建筑结构进行健康监测一直是国内外工程技术领域研究的一个重 要课题【“】，同时也是国民经济中一个新兴的高新技术产业。建筑结构破坏的主要 原因是结构局部开裂和失稳，应力是最直接与安全有关的因素，建筑结构关键位置 的应力是结构安全的重要标志，应力监测对结构安全性及健康状况的把握至关重 要。但是般无法直接测量得到材料的应力，只能通过应变测试来反映应力，因此 应变是表征工程结构安全状态的一个重要指标。应变的测量对保障工程结构的安全 具有重要的意义1 5 j 。 建设结构种类和数量繁多，各种监测技术也相应得到了飞速的发展。这些监测 技术的发展，成为促进建筑结构计算理论与设计方法不断发展的重要因素之一。在 建筑结构监测中，应变的测量非常重要。结构的应变过大，会导致结构产生裂纹与 损伤，进一步发展会产生结构破坏，当应变超过承受值时，就会导致结构的断裂甚 至坍塌，影响人身安全，造成灾难，也不利于经济建设和发展。对于正在修建的建 筑结构进行健康监测，可以对施工质量进行监控，防止事故的发生。对于正在使用 中的建筑结构更要进行健康监测，因为这些结构受到荷载、风载、地震等多种载荷 的作用，并且还受到潮湿气候、温度、氧化、腐蚀以及材料老化、疲劳等因素的影 响，结构的状态将逐渐发生变化，我们就需要考虑结构是否能够继续承受设计应变 载荷，继续使用是否安全等问题。 2 0 0 4 年6 月，辽宁盘锦市境内发生了田庄台辽河大桥的坍塌事故，事故直接原 因是该桥在超限车辆长期作用下，内部预应力严重受损，最终造成大桥断裂；2 0 0 6 年1 月，深汕高速公路西段惠州与深圳交界处的路面桥梁发生大面积坍塌，这段 高速公路不得不被全面封闭，车辆完全无法通行；2 0 0 5 年3 月，位于阿富汗首都喀 布尔西南的苏丹湖爆发洪水，持续降雨与冰雪融化使水库水位大幅上涨，大坝最终 因无法承受水压而坍塌，附近的5 个村庄被洪水淹没，造成至少5 人死亡：2 0 0 6 年4 月5 日凌晨，美国加利福尼亚州重要农业区的两座河堤大坝发生坍塌事件，汹 涌的河水冲破防护堤，淹没了该地区一座大型手机生产基地和加州首府萨克拉曼多 的多个大型农场。无论在国内还是国外，类似的事故和灾难都不胜枚举，如果我们 光纤法布里珀罗应变传感器研究 通过一些检测措施对建筑结构的安全状况进行监测，主动掌握和了解它们的情况， 当它们万一存在安全隐患时，能及时地采取相应的预防措施，就能避免诸如此类不 必要灾难的发生，从而确保国家和人民生命财产的安全，维护社会的安定。因此， 对大型建筑设旌进行状态监测，能够掌握其安全状况，实现事故预先报警，具有十 分巨大的社会效益及科学价值。 在建筑结构健康监测的领域内，人们通过努力取得了一系列的成就和进步。随 着人们对大型建筑结构安全性、耐久性与正常使用功能的日渐重视，健康监测的研 究与监测系统的开发也日益受到人们的关注，监测技术得到了迅速的发展。 结构健康监测系统选用的传感器主要有传统的电式传感器和新兴的光纤传感 器【硒】，其中光纤传感器因为抗干扰能力强、灵敏度高、质量轻、可多路传输、与 材料耦合性好而得到较多的研究。这些传感器的安装方式通常有两种：一种是表面 安装，即通过机械连接、胶接或焊接将传感器安装在结构表面。这种安装方式的优 点是安装方便，对结构强度、刚度无影响，缺点是不能感知材料结构内部的损伤信 息。另一种是内部埋置，即在材料结构铺建过程中，把传感器预先放置在材料间， 与材料固化成一体，这种安装方式可以感知材料结构内部的信息，能辨别内部损伤 的程度和位置，但对传感器要求高，埋置的传感器可能会对结构的某些力学性能有 一定的影响，传感器失效后不容易修复和更换。 近年来发展起来的激光、光纤传感器可以连续检测结构内部信息，已经有成功 地将光纤传感器植入结构进行监测的例子，新型传感器的使用无疑将会给结构健康 监测带来极大的便利。例如建于山东滨州黄河大桥健康监测系统使用了9 6 个f b g 应变温度仪，2 个风速仪，3 9 个加速度传感器和4 个g p s 定位器。先进的传感器 是获得信息的先决条件，多种传感器及测试手段的综合利用有效地保证了测量信息 的完整性和可靠性。 1 2 应变测量的种类和优缺点 目前常用的应变测试技术有电阻应变测试技术及光纤应变测试技术两种，不同 的测试技术有其特有的性质，其工作原理和应用范围不同i 0 】。 f 1 1 电阻应变测试技术 实验应力分析各种方法中，最广泛使用的是电阻应变测试技术，它采用电阻应 变计作为传感元件将构件表面应变转化为电阻变化，然后用电阻应变仪把电阻变化 转换成电压或电流变化，经放大并测量这种变化再用其他仪器记录，由所测应变换 算出应力。 2 大连理工大学硕士学位论文 电阻应变片测量应变的工作原理是基于金属丝的电阻随其机械变形而变化的 一种特性，当金属丝受拉而伸长时电阻的阻值发生变化。 图1 1 电阻应变片示意图 f i g 1 1d i a 鲈a n lo ff o i ls t r a i ng a u g e 电阻应变片的优点： 灵敏度( 1 s ) 和准确度( 约1 3 ) 高，数据稳定可靠 尺寸小、重量轻，测试技术简单，可以应用于静、动态测量 便于多点测量，易于集中，测量数据便于记录，且能远距离传输 电阻应变片的缺点： 对于应力集中部位的测量不够准确 一般只能测量构件表面应变，难于显示其内部应变 输出信号较小，动态测量时，接线往往需要采取屏蔽措施以防止干扰 差动式应变计可用于测量混凝土内部或表面的应变，同时可兼测埋设点的温 度。它是基于钢丝变形使其电阻发生相应变化的原理设计而成的。 在差动式应变计内部采用两根特殊固定方式的钢丝，钢丝经过预拉，张紧在支 杆上。当差动式应变计受到外界的拉压而变形时，其中一根钢丝受拉，其电阻增加； 另一根钢丝受压，其电阻减小。测量两根钢丝电阻的比值，就可以求得差动式应变 计的变形量。 差动式应变计的电阻比和电阻与结构或构件的应变值间存在下述关系： s 鼍，a z + 6 f( 1 1 ) 式中：结构的应变量； ，应变计的最小读数； 6 应变计的温度修正系数； 光纤法布里珀罗应变传感器研究 厶z 电阻比相对于基准值的变化量； 出温度相对于基准值的变化量。 差动式应变计为封闭式结构，将传感元件密封在一个柱状金属壳体中，防水防 潮，可以埋入结构内部进行长期测试。受其结构影响，差动式应变计体积较大，应 用范围受到限制。适于大型结构物中的应力应变测试。 目前，传统的电测设备仍在结构监测中发挥着作用，但由于电类测量仪器本身 固有的缺点，使得这些电测设备多用于结构的特定部位检测，通常只是对结构安全 作一次性评价及短期应变测量中，在实现长期实时监测方面则具有较大的局限。而 光纤传感器集信息传递和传感于一身，且具有纤细、质轻、可宽带和高速率传输， 抗电磁干扰、抗腐蚀等特点，易于实现远程传感和复用，非常适用于对建筑物( 桥 梁、高层建筑、大坝、隧道等) 进行健康监测。 ( 2 ) 光纤应变测试技术 光纤法布里一珀罗( f - p ) 应变传感器是一种广泛应用于结构健康监测中的传感 器。其结构入图( 1 2 ) 所示。 l 参。lj o 弹e or e 图1 2 光纤法珀应变传感器结构 f i g 1 2s t n l c t i l r eo ff 曲r y p e r o t6 b e ro p 石cs t r a i ns e n s o r 光纤f p 应变传感器，是将两根光纤的端面加工为镜面反射面，并使它们严格 平行、同轴，形成一个腔长为l 的光纤f - p 腔。通过对传感器输出光特性的分析来 实现对应变的测量。 光纤光栅的谐振波长对外界环境的变化敏感，因此在结构健康监测中也得到了 日益广泛的应用。光纤光栅的最初研究主要集中在光纤布拉格光栅( f b g ) ，目前 大连理工大学硕士学位论文 周期为几十微米到几百微米的长周期光纤光栅( l p f g ) 也得到了人们越来越广泛 的关注。 光纤布拉格光栅是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，将呈空间周期性的强紫外激 光照射掺杂光纤，从而使掺杂光纤的纤芯形成折射率沿轴向的周期性分布，得到一 种芯内位相光栅，称为布拉格光栅( f b g ) 。根据布拉格衍射原理，当多种波长的 光束由光纤内入射到f b g 上时，只有某一个波长的光被f b g 反射并沿原路返回， 其余所有波长的光都无损失地穿过f b g 继续往前传输，如图( 1 3 ) 所示。被f b g 反射的那一个波长称为布拉格波长a 。： k 一2 ，l a ( 1 2 ) 其中，托是f b g 的有效折射率，a 是f b g 的栅距【1 1 】。 ，屯k 图1 3 f b g 传感器示意图 f 唔1 3d i a 鲫no ff b g s e n s o r 当结构应变使f b g 的栅距a 或者有效折射率 产生变化时，被f b g 反射的布 拉格波长a 。也会产生相应的变化。如果将f b g 埋入纤维增强复合材料或混凝土结 构中时，结构的应变或温度的变化会改变有效折射率n 和栅距a ，进而引起f b g 的布拉格波长变化，因此可以通过监测f b g 的反射波长，实现结构的应变与温度 的监测。光纤光栅传感器的优点及系统构成与光纤法珀传感器类似。当将多个不 同波长的f b g 串联在同一光纤上时，各个f b g 只反射它自己的特定波长的光波， 彼此之间互不干涉，因此可以方便地用一个波长检测系统同时检测所有f b g 反射 光纤法布里珀罗应变传感器研究 的布拉格波长的变化，从而完成光纤光栅传感器的多传感器复用，实现结构应变参 量的准分布测量。 长周期光栅( f g ) 是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期 性制调而形成的透射型光栅。1 9 9 5 年v e n g s a r k a r 等人首次利用振幅模板制作成通 常意义上的长周期光纤光栅【1 2 】。长周期光纤光栅的周期一般为几百微米，光栅总长 约为1 3c i n ，折射率的调制强度在1 0 r 4 量级或更高，l p f g 对应变等横向负载敏感。 周期性的折射率调制使得光纤中的各种模式发生耦合。凹f g 把芯区传输的导模能 量耦合到包层模中，从而造成与特定波长有关的传输损耗。当外界应变的影响改变 芯包层的折射率差时，将会引起传输阻带的中心波长的漂移，通过选择不同的纤芯 和包层参数，可获得不同的应变响应。y u u 等人的研究表明长周期光纤光栅的横 向负载灵敏度比光纤b r a 鹊光栅高两个数量级，且谐振波长随负载呈线性变化，可 用于制作横向负载传感器1 1 2 】。 z o 图1 4 口f g 示意图及其折射率分布 f i g 1 4d i a 孕a mo f 凹f ga n dt l l er e f h c t i v ei i l d e xd i s t 啪u t i n g z l p f g 的特性与其形成机理密切相关，因此不同方法写入的l p f g 由于其形成机理 不同将可能具有独特的特性。高频c q 激光脉冲在单模光纤中写入的l p f g 具有与紫 外光等其他方法写入的l p f g 不同的特性。 光纤应变传感器还有积分式传感器，如光纤m i c h e l s o n 干涉仪f 1 4 】和光纤 m a c h z e h n d e r 干涉仪恻，由于利用了一段较长的光纤进行传感，得到的是参量在这 一光纤长度范围内的平均值；还有分布式传感器，如h o r i g u c h i 等利用布里渊散射 效应制成的应力、温度分布式传感器【1 6 1 。但以光纤法珀传感器和光纤光栅传感器的 研究和应用居多，被认为是未来结构健康监测的最好选择。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 国内外的研究概况 早在1 9 7 8 年，b u t t e r 和h o c k e r 就发表了光纤传感器在智能结构和结构健康监 测方面的应用，并对这一应用前景进行了展望i ”j ，此后各国的研究人员和学者纷纷 致力于新型光纤传感器的研究和开发，并取得了很多具有里程碑意义的成果：1 9 7 8 年h i l l 发现光敏效应并制造出世界上第一只光纤布拉格光栅【1 8 j ，1 9 8 8 年m e l t z 等 利用侧面全息技术制作光纤光栅并将其用于应变和温度传感1 1 9 l 。1 9 8 8 年l e e 和 t a y l o r 制作成本征光纤法珀传感器。1 9 9 1 年m u r p h y 等人制做成非本征光纤法珀 传感器【2 1 】。1 9 9 2 年v a l i s 等首次制作成实用的光纤三向应变传感器【2 1 】。 ( 1 ) 国外研究概况 在应变测量领域，美国始终保持着领先的地位。在1 9 7 9 年，美国国家宇航局 首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合材料中，监控复合材料应变与温度【2 2 】。1 9 9 6 年，d a v i s m a 在美国新墨西哥拉斯克鲁塞斯市的i 一1 0 桥安装了6 0 个f b g 光纤传 感器，成功地实现了对桥梁的动态响应的测量，从而可以监视动态载荷引起的结构 退化和损伤，了解桥梁的交通状况的长期变化。1 9 9 8 年佛蒙特大学的研究小组在 w a t e r b u r y 的座6 7 米的钢构架大桥上安装了结构健康监测系统，测量数据传输到 中心计算机分析并可从互联网获取分析结果。2 0 0 0 年l u n ai n n o v a t i o n s 公司在密 苏里大学校园里的一座全复合材料高速公路桥上安装了2 4 个法珀应变传感器1 个 法珀温度传感器，并进行了荷载动态应变测试实验，在路面铺装后，共有1 4 个传 感器存活，存活率5 6 【2 ”。2 0 0 2 年k u n z l e rm a r l e y 等人为美国波特兰市i 一8 4 高 速公路研制了光纤光栅交通监测系统，2 0 0 3 年又推出了第二代交通检测系统。 加拿大卡尔加里市建造的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥采用了三种预应力筋：传统 钢筋，碳纤复合拉索( c a r b o nf i b e rc o m p o s “ec a b l e ) ，碳纤拉杆( c a r b o nf i b e r l e a d l i n er o d ) 。为了完成三种预应力筋的性能对比分析，r a y m o n dm m e a s u r e s 等 人在这些预应力筋上布置了光纤光栅传感器，实现结构应力状态的长期监测【2 5 1 。 1 9 9 7 年加拿大w i n n i p e g 建造的跨度最大的使用碳纤加强筋的t a y l o r 大桥安装有 6 6 个光纤光栅传感器，并通过电话线路实现了远程监测【2 司。1 9 9 7 年在重建加拿大 s h e r b r 0 0 k e 市内的j o f f r e 大桥时，布置了e f p i 传感器，其中e f p i 温度传感器用 于监测建桥过程中混凝士凝固过程，e f p i 应交传感器用于监测大桥的交通负荷和环 境状况。加拿大的菲索( f i s o ) 公司开发出了多套光纤法珀应变测量仪，其产品已 多次成功用于大坝的应变监测。 英国正在把光纤技术转移到民用工程上，通过开发分布光纤传感器监测混凝土 桥梁和超级游艇上碳纤维桅杼的应变；在总长5 2 2 皿的三跨变高度连续钢箱梁桥 光纤法布里珀罗应变传感器研究 f o y l e 桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度 和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场，该系统是最早安装的较为完整的监 测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。 在法国工业部的支持下，2 0 0 1 年m a g n es y l v a i n 等人在波尔多地区的 s a i n t j e a n 大桥贴装了1 4 个波分复用的光纤光栅张力计和光纤光栅温度计，监测 系统经受住了寒暑季节的变化与考验1 2 ”。 韩国s a n g y o n g 研究中心与国家现代科技研究所合作，于1 9 9 7 年在位于汉城市 附近的汉江最大跨度的s u n g s a n 桥上，选择了3 跨安装上光纤珐珀传感器，达到了 0 1 2 微应变的分辨力，并能进行动静态测试1 2 8 】。 1 9 9 7 年1 1 e np m 等人在瑞士温特图尔的s t o r c k 大桥的碳纤拉索上同时粘 贴了光纤传感器和电阻应变计，该系统连续运作了几年【2 9 1 。 2 0 0 1 年g e b r e m i c h a e ly m 等在挪威的长度为3 4 6 m 的钢架公路桥通过空分复 用和波分复用f b g 传感器，构建了一个实时静态和动态监测系统【刈。 ( 2 ) 国内研究概况 在我国，已有重庆大学、清华大学、南开大学、天津大学、北方交通大学、哈 尔滨工业大学、吉林大学、香港理工大学、大连理工大学、中科院西安光学精密机 械研究所等多所高校研究所开展了研究工作。但在工程应用研究方面仍属起步阶 段。 重庆大学的研究小组将光纤法珀传感器应用在芜湖长江大桥桥梁模型，宜昌长 江大桥环道疲劳试验，以及渝长高速公路的红槽房公路桥的大梁监测中1 3 ”。重庆大 学与冈济大学共同研制和开发的大佛寺长江大桥健康监测系统，将共计4 0 个光纤 法珀( e f p i ) 传感器埋入5 个关键截面用以监测主梁应力。该项目的完成，在国内首 次实现了光纤法珀应变传感器和光电挠度测量系统的大规模工程应用，初步证明了 光纤应变测量系统光电挠度位移测量系统在桥梁健康监测中的可行性和可靠性。哈 尔滨工业大学的研究小组从工程角度研究了光纤b r a g g 光栅传感器埋入钢筋混凝土 的工艺，并于2 0 0 2 年在呼兰河大桥布置了三个光纤光栅传感器，用来获取张拉过 程中混凝土结构内部的应变变化。2 0 0 3 年又在主跨3 3 6 米的松花江斜拉桥利用研 制的针对结构表面监测的两种光纤光栅应变传感器和两种光纤光栅温度传感器实 施局部应变与温度监测【3 2 】。2 0 0 3 年6 月，上海紫栅光电技术有限公司与同济大学 合作，将自主研发的光纤光栅传感器应用于上海卢滴大桥的动态应变测量1 3 3 1 。 总的来说我国的健康监测还存在着许多问题，仍处于起步阶段，与国际水平相 比还有较大差距。各种结构安全的评价理论与方法也仍然在探索中。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 论文的意义及结构 目前，对应变的测量大多数采用传统的电阻应变测试技术，但是电阻应变测试 技术因其原理限制，容易受到引线连接质量及长度、环境温度和电磁场变化等诸多 因素的干扰而产生温漂、时漂，因此它比较适合在较短时间内进行测量，常用在土 建结构的一次性竣工验收测试中。 光纤应变传感器由于尺寸小、重量轻、电绝缘性好、抗电磁干扰、耐高压、耐 腐蚀、在恶劣环境下安全可靠等优点1 3 ”5 】而受到人们的青睐。目前光纤应变传感器 有光纤f - p 传感器、光纤光栅传感器和布里渊背向散射分布式光纤传感器1 3 6 】，其 中，光纤光栅传感器的制作成本较高，而布里渊背向散射分布式光纤传感器由于布 里渊背向散射光很弱，因此探测设备十分复杂。光纤f p 传感器是目前国内外研究 最多的光纤应变传感器之一【3 6 】。大多数的f - p 光纤传感器都以波长解调为主，这 种解调方法测量精度高，抗干扰能力强，但解调方法复杂，并且响应速度慢，不适 合进行动态的应变测量。 本文采用e f p l 倩感探头作为应变测量的传感元，信号处理部分采用自补偿干 涉、强度结合调制f p 光纤传感系统。这样的结构了干涉调制和强度调制测量的优 点，系统具有高响应频率，能够实时进行监测，非常适合用于静态和动态应变的测 量。 本文在第一章首先介绍了应变测试在结构健康监测中的意义，介绍了应变测试 的种类和各自的优缺点，然后介绍了国内外在这一研究领域的研究概况；第二章对 光纤法布里- 珀罗应变传感器的结构、传感原理、信号解调以及复用技术等进行了系 统的研究；第三章提出光纤法布里珀罗应变传感器的设计思想，包括传感探头的制 作、解调系统的结构和原理分析以及采用这种解调方法的优势分析等；第四章给出 静态、动态应变测量实验的实验结果及分析，并对下一步的工作进行了计划和展望。 光纤法布里一珀罗应变传感器研究 2 光纤法布里一珀罗应变传感器的基本原理 2 1 光纤法布里一珀罗应变传感器的结构及分类 2 1 1 光纤法布里一珀罗传感器的原理 光纤法布里珀罗传感器( o p t i c a l 舶e rf a b r y - p e r o ts e s o r ，光纤f p 或法珀传感 器) 是由如图2 1 所示的光学法布里珀罗干涉仪发展而来的。f p 干涉仪由两块平 面平行玻璃板组成，两板内表面严格平行，构成间距为l 的光学谐振腔( f p 腔) 。 通常内表面镀有金属膜用以提高反射率，外表面有时做有一个小的楔角，目的是使 外表面的反射光远离干涉场，避免产生干扰。当一束光入射到f p 腔中，大部分光 能在f p 腔中来回反射多次，形成光学谐振，产生多光束干涉输出。 s 黝二钐 f = j钐除 r 卫拐 二钐咩 二钐 囫弋 、：黝 二 _ 、钐黝少 、汤二钐 - 形钐y l l g 1 g 2l 2 图2 1 光学f - p 干涉仪原理示意图 f 远2 1s k c t c hm a p o ff - p 缸e r f c r o m e t e r p f p 传感器的干涉原理基于平面平行板的多光束干涉效应i 朔。考虑一块上下表 面平行的平面平板玻璃，当一束光o 入射到上表面时，振幅被分割，将产生反射光 束1 和折射光束，同样，当折射光束到达板的下表面时，也将出现透射光束1 ，和反 射光束，于是反射光束返回到板的上表面，再次生成反射光束和透射光束2 ， 如此反复以至无穷，从而构成两个光束系列反射光束1 、2 、3 、4 和透射光 束1 、2 、3 ，见图2 2 。透射光束和反射光束的振幅和能量最终都将趋近于零。 设：r 和t 分别代表光从膜外到膜内的振幅反射率和透射率；r 和f 分别代表光从膜 内到膜外的振幅反射率和透射率。若薄膜两侧介质折射率相等，由s t o k e s 定理得： 大连理工大学硕士学位论文 r 2 + 抒f _ 1 ( 2 - d p z簪麓 ( 2 2 ) 1 72 丁 图2 2 平面波在平行平板中的透射反射传播 f i g 2 2p r o p a g a t i o no fp l a n ew a v ei n a ti n t e r f a c e s 在板的上下表面平行的情况下，两个系列光束中每对相邻光线之间的光程差都相 等。不考虑半波损的表观光程差为： l = 2 丹 c o s 口 ( 2 3 ) 式中， 为板的厚度，n 为板的折射率，口为光线在板内的倾角。除了反射光束1 和2 之外，任何其它相邻光线间都没有半波损引起的附加光程差。在没有这一附加 光程差的情况下，每条光线的位相比前一条光线落后： 6 ；塑掣( 2 4 ) 根据以上各光束的振幅和位相差，我们可以写出各反射光束和透射光束的复振 幅： 光纤法布里- 珀罗应变传感器研究 f 玩= 卅， i 疗2 ；4 心m 1 玩；爿复。 i 【_ = 4 f f ：爿扫2 f ；4 加- 4 “ ( 2 5 ) 在反射光束复振幅的表达式中负号来自半波损。上下表面介质折射率相等时，光功 率守恒导致光强守恒： + 厶= 厶 ( 2 6 ) 式中，。a 爿2 为入射光强。因此只要计算出和中的一个，另一个用减法即可得 到。透射光的总振幅： 暝枷f i ( 1 + ，2 c 2 l ) ；箬争 ( 2 7 ) 因此透射光的光强： _ 玩玩。蔬丽 2 1 ， ( 1 一r ) 2 反射光强为： 和厶3 i 裔 q 9 1 、-， 4 r s 叫6 2 ) 式中旯= r 2 表示光强反射率。 式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 反映了透射光干涉场和反射光干涉场的光强度分布。两者 的强度是互补的，即反射光强的地方透射光弱，反射光弱的地方透射光强。图2 3 给出透射光强与位相差之间的关系曲线，如果纵坐标倒过来从上而下看，就是反射 光与位相差之间的关系曲线。式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 表明，和，。虽然都与反射率尺有 关，但是极大值和极小值的位置仅由位相差6 决定，与r 无关。的极大值出现在 6 = 戤石的地方，极小值出现在6 = ( 舶+ 1 弦的地方；。的极大值和极小值位置正 好对调。反射光强与透射光强输出与平行平板反射率r 有关，反射率越高，多光束 干涉的透射光极大值输出越锐利，反射光与之相反。当f p 腔的两个端面反射率非 常低时，如不镀膜的玻璃平面，玻璃空气界面的反射率r 约为4 ，可以认为r 1 ， 且( 1 求严1 ，则有： 大连理工大学硕士学位论文 a + 编胁2 量) 。一卜讹伽2 喜= j 一2 r 。一伽6 ) ( 2 1 0 ) 因此反射光强和透射光强分布为： ，r l 【1 2 r ( 1 一c o s 6 ) 】 ( 2 1 1 ) 厶一厶一= 2 r ，o ( 1 一c o s d ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 正是等振幅双光束干涉的强度随位相差交化的形式，它是正弦式的，反 衬度等于1 。 o 2 辨 a 器o 图3 _ 3 多光束干涉光强度分布曲线 f j 晷3 3i l l t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ff a b r y p e r o ti n t c r f e m m e t c r 若将两块平行平板的面积缩小、厚度拉长，直至它们分别成为两根光纤时，图 2 1 所示的光学f - p 干涉仪就演化成了光纤f _ p 传感器1 3 5 】。只不过对于图2 1 的光学 f - p 干涉仪而言，其输出信号既可以利用反射光，又可利用透射光；但对于光纤f p 传感器，我们只能利用它的反射光。 2 1 2 光纤法布里一珀罗传感器的分类 根据光纤法珀腔的结构形式，光纤法珀传感器主要可以分为本征型光纤法珀传 感器( i 曲i n s i cf a 研y e r o ti n t e 疵r o m c t e r ，臻p i ) 、非本征型光纤法珀传感器( c x t r i n s i c l h l ￥ 隔i 光纤法布里珀罗应变传感器研究 f a b r v p e m ti i l t e r f c m m e t e r ，e f p i ) 和线型复合腔光纤法珀传感器( i i l l i n ef a b r y p e r o t ， i u 礓) 三种【”。 ( 1 ) 本征型光纤法珀传感器 本征型光纤法珀传感器的研制始于八十年代中期，是研究最早的种光纤法珀 传感器。它是将光纤截为a 、b 、c 三段，并在a 、c 两段的端面镀上高反射膜，通 常是利用交变脉冲平面磁控系统或阴极射线蒸发方式在光纤端面镀上一层t i o 。膜， 然后将它们与b 段光纤焊接在一起而形成，如图2 4 所示。焊接的时候要比普通焊 接采用更小的电流和更短的焊接时间，靠控制焊接次数的方法来控制所需要得到的 端面的反射率，如果想要得到超过1 0 的反射率，就必须采用交变脉冲平面磁控系 统镀上多层t i o 。膜。b 段的长度l 就是此光纤法珀传感器的法珀腔长，它除了像其 他光纤那样传输光束外，还要作为传感器的敏感元件感受外界作用。 由于光纤法珀传感器的腔长l 一般为数十微米量级，因此图2 4 中的b 段长度 l 的加工难度可想而知。作为谐振腔的b 段光纤，其长度和折射率n 都会受到外界 作用参量的影响，从而对最终输出产生影响。导致公式( 2 9 ) 成为一个l 、n 的双 参数函数。因此，在实际使用时如何区分这两个参数的影响，成为一个难题。 + _ - 一 f pc a 叫母 n f j b e rj 氍i do u t f j b e r 嘲i 删g 0 a h n 辨 图2 4 本征型光纤法珀传感器原理示意图 f i g 2 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f 甲is e s o r ( 2 ) 非本征型光纤法珀传感器 非本征型光纤法珀传感器是目前应用最为广泛的一种光纤法珀传感器。人们发 现l f p i 的传感部分在测量应力时，对各方向的应力的变化都比较敏感，这样不利 于提取所感兴趣的信号，所以人们在九十年代以后开始设计只感受轴囱应力，对横 向应力几乎不敏感的传感器件。e f p i 就是其中的一种。它是由两个端面镀膜的单膜 大连理工大学硕士学位论文 光纤，端面严格平行、同轴，密封在一个长度为d 、内径为d ( d 知，勘为光 纤外径) 的毛细玻璃管内形成。由于其结构特点，它具有以下优点： 首先，非本征光纤法珀传感器在制作过程中，可以利用特殊的微调结构调节法 珀腔的腔长l ，因此制造工艺较为方便、灵活，能够精确控制腔长l 口第二，由于 它的导管长度d 大于腔长l ，且d 是传感器的实际敏感长度，这就使得制造者可以 通过改变d 的长度，控制传感器的敏感特性。第三，法珀腔是由空气间隙组成的， 其折射率一1 ，即式( 2 4 ) 中折射率，i 取，基本不受外界影响，可以近似认为 是腔长l 的单参数函数。第四，当导管材料的热膨胀系数与光纤相同时，则可以基 本抵消材料热胀冷缩大致的腔长l 的变化，故本征型光纤法珀传感器的温度特性要 优于本征型光纤法珀传感器，其受温度的影响可以忽略不计。 l t 图2 5 非本征型光纤f p 传感器原理示意图 f i g 2 5s c h 锄a 廿ci l l u s 眦i o no fe f p is e n s o r0 p e r a 右0 a lp r i n c i p l e s 如果传感器在运输、安装过程中受到较大拉力，则两光纤间距( 即法珀腔腔长 l ) 将可能变得过长、两端面将可能不再平行，导致光束不能在两端面之间多次反 射、更不能返回原光纤，从而导致传感器失效。为此，可以采用图2 6 的改进型结 构，通过设置过渡的缓冲间隙，解决这个问题。 在式( 2 9 ) 中，我们假设了由单模光纤出射的光束平行光，因而能够在f - p 腔内多次反射，并完全返回单模光纤。但实际光线由光纤出射时为发散光束，且是 在光纤外部传输，因此只有部分光能返回光纤，从而造成反射耦合的损失，实际的 非本征型光纤法珀传感器的输出强度会随着腔长l 的变化而衰减，而本征型的光纤 法珀传感器由于光束永远在光纤内传播，则不存在这个问题。 光纤法布里珀罗应变传感器研究 图2 6 改进的e f p i 传感器结构 f i g 2 6s t n l c t i l r eo fi m p r o v e de f p is e n s o r ( 3 ) 线型复合腔光纤法珀传感器 线型复合腔光纤法珀传感器原理如图2 7 所示，它是将圈2 4 中的b 段光纤， 用与光纤外径相同的导管代替而成，因此i u 呢是本征型与非本征型的复合结构， 结合了甲i 和e 硎的优点，从原理上讲属于e f p i 型，是一种只感受轴向应力， 对温度、横向应力从原理上不敏感的传感器。在制作这种法珀腔时，首先在显微镜 下切下一段特定长度的毛细玻璃管( 毛细玻璃管的外径与单模光纤外径相同) ，然 后将玻璃管与光纤熔接。由于法珀腔是由空气隙组成的，空气折射率不像i f p i 那 样受温度和横向应力作用，同时，由于f - p 腔内并无光纤活动端，所以从原理上讲， i e 只对轴向应力敏感，是最理想的光纤法珀传感器。但是由于玻璃管长就是法 珀腔长，只有几十微米，加工困难。而且玻璃管是中空的，要将它与光纤熔接而不 损伤光纤反射端面比较困难，因而法珀腔的制作工艺难度较大。这种传感器实际应 用中研究较少，也少有工程化方面的报道。 1 e a d i nf i b e r 1 e a do u tf i b e r 图2 7 线型复合腔光纤法珀传感器原理示意图 f i g 2 7s c h e m a t i ci l l u s t 瑚瞳i o no fi i j es e n s o ro p e r a t i o n a lp r i n d p l e s 大连理工大学硕士学位论文 最近，有文献报导一种新型的膜片式光纤法珀传感器被研究制作出来。其结构 如图2 8 所示。这种结构采用厚壁毛细管作为f p 腔入射光纤的准直管，与准直管 同材料的膜片作为f p 腔的另一反射面，具有结构简单、稳定性好及温度不敏感等 特点，可以用于声波的测量【5 0 】。 “g l i t t 曲蠡g 图2 8 膜片式光纤e f p i 传感头结构示意图 f 培2 8d i a p b r a 耻- b a s e d e f p if i b c rs e n s o r 2 2 光纤法布里一珀罗应变传感器的信号解调 外界参量作用于光纤法珀腔时，是通过改变传感器的腔长l