光纤光栅在结构健康监测中的误差分析.pdf

第 2 5卷 2 0 1 0 正 第 5期 l 0月 山 东 建 筑 大 学 学 报 J O URNAL O F S HAND ONG J I ANZ HU UN I VER S I T Y Vo l 2 5 No 5 0 e t 2 0 1 0 文章编号 1 6 7 3 7 6 4 4 2 0 1 0 0 5 0 4 9 5 0 4 光 纤 光栅 在 结构 健 康 监 测 中 的误 差 分 析 周学军 路鹤 马 晓 山东 建筑大学 土木工程学 院 山东 济南 2 5 0 1 0 1 摘要 光纤光栅传感器 已广泛应用在 土木结构 的应变测量 中 但测 量的误差是必然存 在的 本文研究 了传感器 在安装过程 中产生 的误差 光纤信号在传输过程 中的损失产 生 的误 差 以及 温度产 生 的误 差等 因素对测 量数据 的影响程度 结果表 明 焊接位置偏差带来 的误差 较大 同时 温度场 偏差也 是影 响应变测 量误差 的主要 因素 必须进行温度补偿 在温度补偿时温度场 的选 取要 保证温度与应变传感器所处温度 场 一致 当应变 和温度变化 不是太大时 交叉灵 敏度所引起的相对温度 和应变误 差可以忽略 关键词 光纤光栅传感 器 健康监测 误差分析 中图分类号 T U 3 1 7 3 文献标识码 A Er r o r a na l y s is o f t h e fi be r br a g g g r a t in g in t h e s t r uct ur e h e a l t h m o nit o r ing Z H O U X u e j u n L U H e MA X ia o S ch o o l o f C i v i l E n g i n e e r in g S h a n d o n g J ia n z h u U n i v e r s i t y J i n a n 2 5 0 1 0 1 C h i n a Abs t r a ct Op t ica l fi b e r b r a g g g r a t in g s e n s o r h a s b e e n wi d e l y u s e d in civ il e n g in e e ri n g s t r uct u r e o f s t r a i n me a s u r e me n t b ut t h e me a s u r e me n t e r r o r in e v it a b l y e x is t s Th e p a p e r s t ud ie s t he in f l u e n ce d e g r e e o f me a s ur e me n t da t a ca u s e d b y e r r o r in in s t a l l a t i o n p r o ce s s a l s o d e a l s wit h t h e e r r o r ca u s e d b y o pt ica l fib e r t r a n s mis s io n l o s s o f s i g n a l a n d t h e e r r o r ca u s e d b y t e mp e r a t u r e v a ri a t io n a nd o t h e r f a ct o r s An a l y s is r e s u l t s h o ws t h a t t he we l d in g p o s i t io n d e v ia t i o n e r r o r is l a r g e a n d t e mp e r a t u r e d e v ia t io n is a ma i n f a ct o r f o r s t r a in me a s u r e me n t e F o r S O t ha t e mp e r a t u r e co mpe n s a t io n mu s t b e t a k e n t o e n s u r e t h a t t e mp e r a t u r e a n d s t r a i n s e n s o r s mu s t b e i n co n s is t e n t wit h t e mpe r a t u r e fi e l d wh e n t he t e mp e r a t u r e co mpe n s a t io n is t a k e n W h e n t e mp e r a t u r e a n d s t r a in v a ri a t io n a r e n o t t o o o b v io u s cr o s s s e n s it i v it y ca u s e d b y t h e r e l a t iv e t e mp e r a t u r e a n d s t r a in e r r o r ca n be ig n o r e d Ke y wor ds fi b e r b r a g g g r a t i n g h e a l t h mo n it o ri n g e rro r a n a l y s is 0 引言 重大工程结构的健康监测已经成为了世界性的 热点研究课题 而应变是工程结构健康监测最为重 要的参数之一 目前 应变测量所用的传感器大多 是 电阻应变片 但大量工程应用实例证明 湿度和电 磁场等环境 因素会严重影响电阻应变片的检测精度 和长期稳定性 不 能对绝大多数工程结构进行在线 健康监测 光纤光栅是光纤传感技术发展的最新阶 段 它是一种性能优 良的敏感元件 可通过布拉格反 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 2 基金项 目 I 东省科技计划项 目 2 0 0 7 GG 1 0 0 0 8 0 0 1 2 0 0 7年山东省信息产业专项基金项 目 作者简介 周学军 1 9 6 5一 男 山东菏泽人 教授 博士 研究方 向 钢结构基本理论 与空 间钢结构 E m a i l x u e j u n z h o u s d j z u e d u cn 4 9 6 山 东 建 筑 射波 长的移 动来 感应 外界 微小 应力 变化 而实现对 结 构应变在线测量 光纤光栅传感器不仅具有不怕恶 劣环境 不受环境 噪声干扰 抗 电磁干扰 集传感 与 传输于一体 构造简单 使用方便等优点 而且还具 有可对结构的应变进行高精度绝对测量 准分布式 数字测量的优点 特别是它还可构成各种形式的光 纤传感网络系统 既可对结构进行整体和局部测量 又能够检出损伤的存在 位置和大小 一诞生就得到 了结构健康监测研究人员的广泛关注 国内基于光纤光栅的大型结构监测广泛的应用 于大型体育场馆 隧道桥梁和工程施工等各个领域 中 第十一届全运会主场馆运用光纤光栅传感技术 对体育场和体育馆在施工过程卸载阶段 屋面安装 完成阶段关键部位构件的廊变情况进行 了监测 应 变监测取得了较好的效果 具有较高的准确度和较 好的稳定性 但是在实际工程结构监测中 光纤光栅传感器 在焊接安装过程中产生的误差是不可避免的 同时 由于光纤光栅传感器对温度和应变都是敏感 的 在 监测过程中也会产生误 差 另外光信号在光纤 中传 播也会产生衰减 这些误差都会对量测数据带来不 可忽视的影响 这些误差的存在直接影响了测量数 据的精度和可信度 因此对量测误差进行分析就显 得 尤为 重要 1 传感器在安装过程 中产生 的误差 1 1 传 感器 的焊点位 置的 影响 光栅传感器是通过 4点焊接与杆件相连的 如 图 l所示为孔间距为 6 0 m m的焊接式应变传感器 图2左图为传感器的标准焊接方式 即将传感器的 四个小耳朵侧端面完全焊牢 此时传感器的实际标 距为 5 2 mm 如果采用 图 2右图的焊接方式 焊点 的位置位于传感器 两端进行焊接 实际测量 中传感 器的标距将变为 6 8 ram 这样传感器实际测量时的 应变系数将比理论标定值偏大 设以 5 2 ram为标距 的传感器标定的应变系数为 则图 2右 图焊接之 后 的应变 系数 B B X 6 8 5 2 图 1 光纤光栅传感器 图 2 光纤光栅传感器焊点位置 由于传感器在点焊时存在位置的偏差以及是否 完全焊牢的问题 点焊位置 的不 同会对传感器的标 距产生影响 传感器焊接位置在端面边缘处时 其 标距 的 范 围 为 5 2 6 8 ra m 假 设 其 标 准 标 距 为 6 0 m m 其 影 响 系数 为 8 6 0 1 3 3 因 此应 当 对测量出的结果根据实际焊点位置按此方法进行修 正 1 2光纤 的横 向效 应 以及 安装方位 的影 响 通过理论推导和实验分析可知 在双 向应力状 态下 用光纤进行应变测量时 当应变主向和光纤的 l n1 l 轴向存在夹角时 由于横向效应的存在 所得到的布 拉格波长变化与欲求的波长变化就存在误差 研究 结果表明在单向席力作用下 当测量光纤的轴 向与 应变第一主向的夹角不大于 3 0 时 所测应变的误 差较小 不超过 1 可以忽略 而在 6 O 附近误差急 剧增大 测量结果失真 必须进行误差修正 为减 少该误差 则应确保安装方位的准确性 1 3焊接 残余应 力的 影响 焊接式 应变 传感 器 在安 装 过程 中 由于焊 接 产生的残余应力 对光 栅传感器 的测 量值也会产 第 5期 周学军等 光纤光栅在结构健康监测中的误差分析 生误 差 因此 在传 感器 施 焊过 程 中 焊接顺 序 非 常 重 要 在 焊 接 的 时 候 应 先 将 传 感 器 中央 轻 轻 同定 再 在 对 角点 焊住 传感 器 的 四个耳 朵 再 视 情 况 焊 牢 2 光纤 信号在传 输过程 中的损失产生 的误差 在结构监测中 光信号会在光纤传输中衰减 光 纤 的传播损耗决定 了信号传输的可能最远距离 还 有光纤 的弯曲损耗 耦合损耗等 对于单模光纤 主 要考虑布线过程中引起的宏弯损耗及光纤连接时的 耦合损耗 2 1 光纤 的弯 曲损 耗 的影 响 理论分析和试验研究表明 当光纤弯 曲小于某 半径时 弯 曲损耗会 急剧增加 此半径 称为临界半 径 研究光纤弯 曲损耗 的变化过程 可以确定其临界 半径值 对于单模光纤 其临界半径为 l l R 2 0 x 2 7 4 8 0 9 9 6 2 1 O l1 式 中 R 为临界弯曲半径 6 为光纤相对折射率差 A 为 光纤 截止 波长 A为 光波 波长 随着波长的变化 临界半径逐渐增 大 实 际应 用时 使用的光栅 中心波长范围为 1 5 2 5 1 5 6 5 n m 且 多个光 栅 串 于一根光 纤 上 因此 整根 光纤 的 临界 弯曲半径应 与中心波 长为 1 5 6 5 n m 的光栅对应 其 值为 2 7 2 mm 也 就是说在安装光纤 时 要确保 其 弯曲半径大于 2 7 2 m m时 其 由此 引起 的误差 方可 忽略 2 2光纤 的耦 合损 耗 的影 响 对于光纤与解调器之间的耦合连接 一般是通 过光纤跳线 光纤 陶瓷连接 器 连接 的 其损耗值 一 般 在 0 0 9 0 1 7 d B之 间 对 于 光 纤 与 光 纤 之 间 一般采取熔接的方式 直接耦合 由此引起 的耦 合损耗 主要受到耦合 时两光纤的轴线偏移 倾角以 及 光纤端 面的 间距 的影 响 已有 的研究表明 随着两光轴之间的距离 夹角 及 两光纤 端 面之 间 的距 离 这 些 因素 的逐 渐 增 大 损 耗 也逐渐 增 大 在 实 际应 川 时 只要 保证 光 纤 表 面 干净 端面平 整且垂直 于光轴 其耦合损耗 就会很 小 一般 在 0 0 2 0 0 8 d B之 间 由此 带 来 的量 测 数 据 的误 差可 以忽 略 3温度产生 的误差 3 1 温度补偿存在的误差 光栅布拉格 波长同时是温度 和应 变 的函 数 A T n 占 A T 2 式中 2 n m 对式 2 利用 T a y l o r 级数在 T o 展开并忽 略掉 A e AT 及其 更高阶项 和二 阶以上 的交 叉项 将表达式写为 A A B T A a K T r A e A T 3 式 中 为 一阶应 变灵 敏度 是 与 光纤 泊 松 比 弹光 系数和纤芯有效折射率及光纤光栅周期有关的量 K 为一阶温 度灵敏度 是与热膨胀系数 和热光 系 数有关的量 为一阶交叉灵 敏度 是交叉 敏感项 的系数 即与温度 应变都有关的量 由 3 式我们看出光纤光栅 同时对温度和应变 敏感 当温度和应变同时发生变化时 仅测量单个光 纤光栅的波长变化量 将无 法区分 由温度和应 变分 别 引起 的波长 变化 比如 对 于 中心 波 长为 1 5 5 5 n m 的光纤光栅 其温度灵敏度系数为 1 0 8 3 p m C 应 变灵敏度 系数 为 1 2 1 2 p m p m 1 温度变化对应 变引起 1 0 t x m的测量误差 因此 当温度变化较大 时 用光纤光栅做应变传感必须考虑如何去掉温度 的影响 否则 会因为温度的变化而影响应变测量的 精度 尤其在结构健康长期监测中 这个问题十分突 出 可 以说没有考虑温度补偿 的光纤 光栅实 际结构 应 变 长期监 测是 没 有 意 义 的 因为 结构 如 桥 梁 大 坝等的年温差达几十摄氏度 在某些特殊地区甚至 达 上百 摄 氏度 对于应变传感器 它受温度和应变共同作用 其 中应变 由两部分组成 结构物被测位置实际发生的 应变和基体材料因温度部分而产生的应变 因此应 变传感器与温度 应变的关系如式 4 AA s Ks A e A O t B K s r 4 对于温度传感器只受温度作用 其波长漂移量 的计 算 公 式如 下式 A r K r 5 式 中 A K 分别为温度传感器波长偏移量和温度 山 东 建 筑 大 学 学 报 灵敏系数 A t K s K 分别为应变传感器波长偏移 量 应 变和温 度灵 敏 系数 O L 为 被 测 物 的热 膨 胀 系 数 O t 为传感器 结构件本 身的热膨胀 系数 1 0 1 0 经整 理 可 得 结 构 物 被 测 位 置 实 际应 变 如式 6 A e KA A s L A A r 6 式中 L为常数 公式 中代入温度传感器 应变传 感 器 的实 测波长 的偏移 值 即可 求 出真 实测量应 变 从而实现温度的补偿 3 2温度和应 变 的交叉 灵敏度产 生的误 差 当温度和应变同时发生变化时 波 K漂移并不 是应变和温度单独作 I f j 时产生的波长漂移的简单迭 加 还存在着力学量和热学量的相互作用 这个作用 体现为交叉灵敏度 其大小反映了这种相互作用的 程度 对于轴向应变作用时 当温度变化范围不大时 即在温度变化范围内材料的光弹系数和泊松比是常 数 应力和温度的交叉敏感灵敏度 K 便可表示 为 r l r O 1 一P 一 2 P 1 K 一 2 P 7 A B 式中 P 为有效弹光系数 O 为光栅的热膨胀系数 为热光 系数 对于给定的光栅传感器 其交叉灵敏度系数很 小 且是 固定 的 由式 3 可 知在 应 变 和 温度 变 化 不 是 太大 的情 况下 交叉 灵 敏 度所 引 起 的相 对 温度 和 应变误差是很小的 几乎可以忽略不计 但是随着温 度或者应变的变化量的增大 忽略交叉敏感项 而带 来 的误差越 来越 明显 应 变和 温度 同时