1 引言
光纖傳感技術(shù)是繼電測(cè)技術(shù)之后傳感技術(shù)發(fā)展的新階段。相對(duì)于機(jī)電類(lèi)傳感器，光纖傳感器具有很多優(yōu)勢(shì)，如：體積小、重量輕、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、靈活方便等。以光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)為主的光纖光柵傳感器，除了具有普通光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)之外，還有一些特別的優(yōu)勢(shì)，最主要的是傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制以及復(fù)用能力強(qiáng)。其好處在于：測(cè)量信號(hào)不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測(cè)器老化等因素的影響;避免了干涉型光纖傳感器相位測(cè)量模糊不清等問(wèn)題;在一根光纖上串接多個(gè)布拉格光柵，把光纖嵌入(或粘于)被測(cè)結(jié)構(gòu)，可同時(shí)得到幾個(gè)測(cè)量目標(biāo)的信息，并可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。廣泛應(yīng)用于對(duì)工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)以及對(duì)結(jié)構(gòu)變形、裂縫、整體性等結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[1,2]。
應(yīng)變是材料與結(jié)構(gòu)的重要物理特征參量。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的前提是從結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)，最能反映局部結(jié)構(gòu)特征、便于結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)與損傷定位的是應(yīng)變信號(hào)，所以說(shuō)應(yīng)變是重要工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最為重要的參數(shù)之一。通過(guò)國(guó)內(nèi)外同行的大量研究和實(shí)踐，已將應(yīng)變測(cè)量鎖定在光纖光柵傳感技術(shù)上[3,4]。
本文的主要工作是給出了光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成和實(shí)施方案，并對(duì)工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了論述，提出了解決方案，并將其成功地應(yīng)用于重大工程結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中。
2 光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
圖1 光纖光柵分布傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成
圖1是光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖。系統(tǒng)中寬帶光源輸出光輸入到環(huán)行器端口1，由端口2輸出到1×8光開(kāi)關(guān)，光開(kāi)關(guān)的每一路由幾個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光柵串接構(gòu)成傳感陣列。通過(guò)不同光纖光柵的反射光波長(zhǎng) …… ，與被測(cè)對(duì)象上各測(cè)量點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，分別感受各分布測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變，使其反射光的波長(zhǎng)發(fā)生改變，改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)傳出，輸入到環(huán)行器端口2，再由端口3輸出。通過(guò)光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)探測(cè)其波長(zhǎng)改變量的大小，并由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸出，最后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估。
根據(jù)圖1的光纖光柵分布應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成，把整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施方案分為以下幾個(gè)步驟：
1)確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布：依據(jù)具體結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)用情況，確定測(cè)量點(diǎn)位置和測(cè)量分布方式，粗略估計(jì)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變范圍，推算出整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布概況。
2)確定各測(cè)點(diǎn)處光纖光柵的中心波長(zhǎng)：根據(jù)估計(jì)的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布狀態(tài)，特別是各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的最大值，將各測(cè)點(diǎn)的位置與對(duì)應(yīng)處的光纖光柵的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。在采用分布傳感方式時(shí)，保證各測(cè)點(diǎn)的各點(diǎn)的波長(zhǎng)分布具有一定的間隔，間隔的大小取決于各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的最大值和應(yīng)變屬性(拉應(yīng)變還是壓應(yīng)變)，避免串在一起的光柵在工作過(guò)程中波長(zhǎng)發(fā)生重疊。
3)確定傳感器的結(jié)構(gòu)和安裝方式：根據(jù)監(jiān)測(cè)的要求和工程實(shí)際情況，選擇傳感器的結(jié)構(gòu)形式(貼片式、埋入式等)和安裝方式(粘貼還是焊接等)，確定埋設(shè)和保護(hù)工藝。
4)確定光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)：依據(jù)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變變化值的光纖光柵波長(zhǎng)的變化值 …… ，和各點(diǎn)的波長(zhǎng)分布間隔大小( )，計(jì)算出所有測(cè)點(diǎn)的波長(zhǎng)變化值和間隔值的總和，然后乘以相應(yīng)的波長(zhǎng)余額系數(shù)1.2～1.8，確定所需光纖光柵解調(diào)器的波長(zhǎng)解調(diào)范圍，并結(jié)合所需的測(cè)量精度，選定相應(yīng)的光纖光柵解調(diào)器和配套解調(diào)和數(shù)據(jù)分析軟件。
5)確定光纖光柵傳感器靈敏度系數(shù)K：依據(jù)所選定的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)形式和安裝方式，選定靈敏度系數(shù)K值，并在解調(diào)軟件中進(jìn)行設(shè)置，測(cè)量結(jié)果直接顯示應(yīng)變值。
6)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的分析和評(píng)估：依據(jù)結(jié)構(gòu)上各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值，進(jìn)行特定的程序運(yùn)算，確定結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變分布狀態(tài)，并對(duì)極限狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。
