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传感器与检测技术 传感器 检测 技术 配套 PPT 课件

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第2 7 卷第2 期大庆师范学院学报V 0 1 2 7N o 2；! Q Q 2 堡垒旦Q 旦垦盟垒垦Q E 望Q ! 塑堡盟Q 曼丛L 堕塑! Y 曼曼曼! ! 羔垒巳堕! ：至! ! 塑光纤光栅传感器及其在结构健康监测中的应用袁雪松( 广东金融学院计算机科学与应用系，广东广州5 1 0 5 2 1 )摘要：依据结构健康监测的基本概念，阐述了光纤光栅的构造和传感原理，列举了采用光纤光栅封装传感器的三种工艺，介绍光纤光栅传感网络系统原理以及光纤光栅传感器发展历程和在健康监测中的应用。关键词：健康监测；光纤光栅；封装；应变监测作者简介：袁雪松( 1 9 7 1 一) ，男，黑龙江大庆人，广东金融学院计算机科学与应用系讲师，主要从事网络数据库开发与发布技术研究。中图分类号：T P 2 1 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 6 2 1 6 5 ( 2 0 0 7 ) 0 2 0 0 3 7 0 5 收稿日期：2 0 0 6 1 0 2 31 引言现代大型工程结构，例如桥梁、大跨空间结构、高层建筑、水利工程、地下工程等，它们的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，已建成使用的许多重大工程结构和设施急需采用有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制损伤；对新建的结构和设施总结以往的经验和教训，增设长期的健康监测系统和损伤控制系统，以监测结构的服役安全状况，并为研究结构服役期间的损伤演化规律提供了有效的、直接的方法。结构健康监测已经成为世界范围内工程领域的前沿研究方向。结构健康监测是利用现场的无损传感与结构系统特性分析( 包括结构反应) ，探测结构的变化，揭示结构损伤与结构性能劣化。对结构的应变、加速度、速度、位移、旋转等参数的监测是结构健康监测的基本方法。理想的健康监测系统应能在结构损伤出现教早时期发现损伤，在传感器允许的情况下结合损伤识别技术确定损伤的位置，评估损伤程度，预测剩余的有效寿命。典型的结构健康监测系统组成如图1 所示。从图中可以看出智能传感元件对于健康监测系统的运行尤为关键。健康监测要求利用性能稳定、耐久性好的传感元件，埋入或附着于结构中，对最能反映结构安全状况的参数进行监测，评价结构的安全性、耐久性，为维修、安全报警决策提高可靠的依据。而工程结构与设施往往处于较恶劣的环境中，这就要求传感器必需满足耐久性、稳定性、与结构相容性。传统的传感器很难满足这样的要求。而新型智能传感材料的出现，如光纤、压电材料、形状记忆合金、碳纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、半导体材料等较好地解决上述问题。随着智能感知材料的发展，高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更是为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤光栅传感器的优点主要表现为：耐久性好，适于长期监测；无火花，适于特殊监测领域；既可以实现点测量，也可以实现准分布式测量；测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；检出量是波长信息，因此不受接头损失、光沿程损失等因素的影响；对环境干扰不敏感，抗电磁干扰；波长编码，可以方便实现绝对测量；单根光纤单端检测，可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数；信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；光纤光栅尺寸小，测量值空间分辨率高；输出线性范围宽，在1 0 1 2 0 0 微应变范围内波长移动与应变有良好的线性关系；频带宽，信噪比高等。正是这些突出优点，光纤光栅传感器受到土木工程领域的广泛关注与青睐。3 7 万方数据胡圜用l1 ) 卅I数据采集传输与智滟处理图1 结构健康监测系统2 光纤光栅传感器原理2 1 光纤光栅构造光纤光栅是光纤波导介质中折射率沿轴向呈周期性分布的一种光子器件，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。其制作方法是在拉纤过程中，在纤芯掺入一定浓度的G e 等元素，使之成为光敏光纤，它对特定波长的光波具有强烈的吸收特性，从而使得纤芯的折射率随紫外线曝光强度的变化而产生变化，通过这种紫外侧写入技术使普通光纤变成光纤光栅。光栅非常微小( o 0 5 0 3 n m ) ，光纤光栅的长度受2 1 2艺影响一般不超过2 5 m m ，纤芯直径一般为几个m 。其构造见图2 所示。胡圜用IIf 儿什f图2 光纤光栅构造2 2 光纤光栅波长变化与应变关系光纤光栅反射中心波长条件为入= 2 n A( 1 )式中，入为光栅中心波长；n 为纤芯有效折射率；A 为纤芯折射率的调制周期。将式( 1 ) 两边微分，得d k = 2 A d n + 2 n d A( 2 )式( 1 ) 除式( 2 ) ，得d k k = d n n + d 人A( 3 )在线弹性范围内，有d A A = 8( 4 )式中8 为轴向应变。不考虑波导效应，即不考虑光纤轴向变形对折射率的影响，光纤在单轴弹性变形下的折射率变化如下：d n n = 一鼍一 P 1 2 一移( P 1 1 + P 1 2 ) 占( 5 )式中，P 1 l 与P ，2 为光弹常数，口为泊松比，令P = P 。2 一口( P 。+ P 。2 ) n 2 2 ，由式( 3 ) ，( 4 ) 和( 5 ) 可得d a A = ( 1 一P ) 占( 6 )上式即为假定温度恒定时应变与波长变化的数学关系。对于纤芯是纯石英的光纤情况，n = 1 4 5 6 ，=0 1 2 1 ，= 0 2 7 0 ，= 0 1 7 ，得P 值约为0 2 2 0 。若分别取中心波长为1 5 4 5 n m ，1 5 5 0 m n ，1 5 5 5 n m 时，由式( 6 )计算得单位微应变导致的波长变化分别为1 2 0 5 p m ，1 2 0 9 p m ，1 2 1 2 p m 。由此表明在中心波长变化不大时，单位微应变导致的波长变化约为1 2p r a l i n e 。除了应力可以影响光纤的波长外，温度的变化同样也可以引起光纤波长的漂移。由于热胀效应，光栅周期发生变化。另一方面，热光效应使得纤芯有效折射率发生变化。由此光栅光纤波长与温度的关系为：d A A = ( 仅一忑1 窑宝) 出( 7 )其中为光线材料的膨胀系数，为光纤归一化频率。式( 7 ) 可简化为：d A A = 庇。d t( 8 )3 8 万方数据其中为温度灵敏系数。光纤光栅传感器在使用过程中外界的温度往往是经常变化，这就造成了在测量时的不确定性和不准确性，从而严重限制了它的应用。所以，为了解决这个问题，必需要在光纤光栅传感器波长总漂移中消除温度影响引起的波长漂移，实现温度补偿。例如采用多光栅法温度补偿技术，其原理是将一光栅光纤温度计放置在光栅光纤应变计附近，该光栅光纤不受应变影响，只能测量温度的波动。由于两者距离接近，假设光栅光纤应变计所处温度场同光栅光纤温度计一致。利用温光栅光纤度计测得光栅波长移动，消除应变计测量光栅波长移动中温度引起的波长干扰，即实现温度补偿。3 光纤光栅传感器封装工艺光纤光栅是利用相位掩模技术写于预先经过载氢处理的光敏光纤上，由于裸光纤光栅特别纤细，外径约为1 2 5 微米，其主要成分是S i 0 2 ，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，非常容易折断。直接将其作为传感器在工程实际中遇到了布设工艺的大难题。以往在工程应用时经常采用高分子胶粘剂将光纤直接粘结在结构中，然而高分子胶粘剂“短命”的蠕变、老化等性能严重地制约了光纤光栅传感器耐久性能的发挥，例如在混凝土的碱性环境下，光纤容易被腐蚀。所以应采取封装措施对光纤进行保护，以保证传感器在施工现场的恶劣环境( 如混凝土浇铸，振捣棒的振动) 以及在工作阶段所处的化学环境中能够存活并正常工作。因此光纤光栅的高耐久性封装与无胶布设技术是光纤光栅在土木工程大规模应用的瓶颈技术之一。理想的封装工艺应既能有效地保护光纤又能准确的传递基体应变。因此在封装时要综合考虑诸多因素，如光栅保护、光纤接头焊点保护、封装结构与基体材料锚固、封装灵敏度和封装材料选择等。本文介绍了目前常用的几种封装方法。3 1 毛细钢管封装光纤光栅传感器光纤光栅的毛细钢管封装工艺如图3 所示，即将光纤光栅用环氧树脂封装在毛细钢管内，钢质为不锈钢。封装时，力图保证光纤光栅平直并位于毛细钢管的轴线上，而且使光栅处于管的正中部位。注入环氧树脂时，要适当加热，目的是增加环氧树脂的流动性，保证管内充满密实，并减小形成气泡的可能性。这种传感器埋设时可根据结构特点在传感器两端增设锚固件，例如埋设在混凝土结构中可焊接锚固钢片；埋设在结构表面时可增设螺栓锚固件等。图3 钢管封装光纤光栅优越感器3 2 钢片封装光纤光栅传感器光纤光栅的钢片封装工艺如图4 所示，使用厚度为2 m m 的钢片，切割成工字型钢片结构，并且在钢片中部打磨出凹槽以便于光纤铺设和封装，在两侧各焊接一个圆形钢片以增加此传感器与结构( 如混凝土)的锚固，将光纤光栅沿轴向用丙烯酸胶粘贴在钢片预割的槽道中点位置，待粘贴牢固后，用环氧树脂将槽道封死以保护光栅。整个封装结构由整根钢片加工而成整体性好。该封装工艺采用钢材作为封装材料，同混凝土、环氧树脂材料相比，质地均匀，其弹性模量容易获得，便于进一步分析。传输光图4 钢片封装光纤光栅优越感器3 3 纤维增强树脂封装光纤光栅传感器由于纤维增强聚合物( F i b e rR e i n f o r c e dP o l y m e r ，简称F R P ) 具有耐腐蚀、强度高、非磁性、重量轻( 密度为钢材的1 6 1 4 ) 、高疲劳限值、加工方便等优良性能，在土木工程中的应用前景十分广阔。将F R P 与3 9 万方数据光纤光栅复合形成光纤光栅的一种封装方式，彻底克服了光纤光栅脆弱、布设困难的缺点，大大提高了光纤光栅的耐久性。F R P 光纤光栅传感器封装工艺如图5 所示。图5F R P 光纤光栅传感器的封装过程是将裸光纤光栅和其他纤维合成一纤维束，通过树脂槽侵润树脂，进入合束盘中孔，通过旋转拉力机牵引纤维束前进、旋转和缠绕，并通过加热炉使树脂加温固化，最终成型。根据纤维材料不同，目前F R P 光纤光栅传感器根据封装采用的纤维种类大致分为两种：一种使用碳纤维作为封装材料的即碳纤维增强树脂光纤光栅传感器，另外一种使用玻璃纤维作为封装材料的即玻璃纤维增强树脂光纤光栅传感器。4 光纤光栅传感网络系统原理4 1 传感系统光纤光栅监测系统由光源、连接元件、光纤光栅以及信号查询解调装置组成。连接元件包括光纤与耦合器。系统基本构成如图6 所示。光源将光入射到光纤中，一段包括光纤光栅波长的狭窄光谱被光栅反射回波长探测装置，在没有被反射的透射光谱中就缺少这段光谱( 见图7 ) 。应变和温度引起的光纤光栅波长漂移就可以通过探测反射光和透射光的光谱获得。图6 监测系统结构图图7 光谱图4 2 结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统结构健康监测的大规模光纤光栅传感网络与集成系统一般由光纤光栅传感器、光纤光栅信号解调仪、光开关或光合波器、光纤跳线、光纤适配器、传输光缆、系统软件等部分组成，其中光纤光栅信号解调仪、光开关( 合波器) 与系统软件( 包括与结构健康监测系统数据库的通讯部分) 是核心部分，系统构建如图8 所示。图8 光纤光栅传越感网络 万方数据5 光纤光栅传感器的发展与应用光纤光栅是近年来出现的一种新型智能传感元件。光纤光栅的研究与发展归功于1 9 7 8 年加拿大的H i l l 等人在实验室中制作的世界上第一根光纤光栅，以及1 9 8 9 年美国的M e h z 等人发明的紫外侧写入技术。随后，1 9 9 3 年H i l l 与L e m a i r e 分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。这两项技术相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本与容易程度，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究的热潮。自从1 9 8 9 年美国的M o r e y 等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的1 0 多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，例如通讯方面的广泛应用极大地推动了光纤光栅技术的成熟。光纤光栅的传感特性最早应用于航空、航天等军事领域，能测量很多物理量如：应变、应力、温度、振动和压力等。同传统的电测传感器相比较，光纤光栅有许多显著的优点：稳定性好、耐腐蚀、抗电磁干扰、准分布测量、体积小、重量轻、结构简单和精度高等。现已广泛应用于土木工程、油田、航空航天、复合材料、高压输电线、医学、核电站、消防等领域。自1 9 9 2 年R u t g e r 大学的P r o h a s k a 等人首次将光纤光栅埋入到混凝土结构中测量应变，开创了光纤光栅在建筑结构健康监测领域的应用。瑞典的N e l l e n 等人在1 9 9 7 年和1 9 9 9 年分别在L u c e r n e 桥预应力索线与W i n t e r h u r S t o r c k 桥的两根碳纤维索上布置了光纤光栅传感器，前者可以测量碳纤维高达8 0 0 0 1 x e 的应变值，后者和标准电阻应变计实测数据吻合很好；美国的F u h r l 9 9 8 年在W i n o o s k i 河上的W a t e r b u r y 大桥的面板上埋人了8 个光栅传感器，并探测到了5 0 1 山e 的应变值；美国的U d d 等人1 9 9 9 年在H o r s e t a i l F a l l s 桥的复合材料加固过程中布设了2 8 个传感器，以备长达两年的健康监测。目前，国内的清华大学、重庆大学、南开大学、武汉理工大学、北京交通大学、香港理工大学、哈尔滨工业大学等单位对光纤光栅传感器的应用研究非常重视，投入了大量的人力和物力，得到了系列研究成果，并已经在一些重点示范工程上得到了应用。例如哈尔滨工业大学欧进萍课题组在国家8 6 3 项目、国家自然科学基金、西部交通科技项目、重大工程项目等较多重大项目的支持下，从2 0 0 1 年开始，采用光纤光栅传感器进行了1 0 余项重大工程的结构健康监测，主要有胜利油田C B 3 2 A 海洋平台、山东东营黄河公路大桥、黑龙江呼兰河大桥、黑龙江牛头山大桥、山东滨州黄河公路大桥、南京长江第三大桥、湖南茅草街大桥、重庆广阳岛大桥、四川峨边大渡河大桥、黑龙江松花江大桥、奥林匹克游泳中心“水立方”等。 参考文献 1 田石柱，赵雪峰，欧进萍，等结构健康监测用光纤B r a g g 光栅温度补偿研究 J 传感器技术，2 0 0 2 ( 1 2 ) 2 周智，欧进萍土木工程智能健康监测与诊断系统 J 传感器技术，2 0 0 1 ( 1 1 ) 3 赵雪峰，田石柱，周智，等钢片封装光纤光栅监测混凝土应变试验研究 J 光电子激光，2 0 0 3 ( 2 ) 4 周智，武湛君，赵雪峰，等混凝土结构的光纤光栅智能监测技术 J 功能材料，2 0 0 3 ( 3 ) 5 周智，赵雪峰，武湛君，等光纤光栅毛细钢管封装工艺及其传感特性研究 J 中国激光，2 0 0 2 ( 1 2 ) F i b e rB r a g gG r a t i n gS e n s o r sa n dT h e i rA p p l i c a t i o n si nS t r u c t u r a lH e a l t hM o n i t o r i n gY U A NX u e - s o n g( G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo fF i n a n c e ，G u a n g d o n 9 5 1 0 5 2 1 ，C h i n a )A b s t r a c t ：T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s