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摘要:在光纤传感领域,光纤光栅传感技术是十多年来发展最为迅速的技术之一, 在土木工程中利用光纤光栅进行应变、温度等测量已经较为普遍这一现状, 文中首先介绍了光纤光栅传感原理，讨论了为满足耐久性、安装方便与温度自动补偿等需求光纤光栅传感器的封装技术,最后回顾了光纤光栅传感器在土木工程中的应用现状,提出了光纤光栅传感技术以后应该解决的问题。
关键词: 光纤光栅; 光纤传感器; 土木工程
中图分类号： TN818 文献标识码： A 文章编号：
前言
光导纤维具有感测和传输双重功能, 具有柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、传输频带宽以及优良的可埋入性等优点。光纤光栅传感器除了具有光纤传感器的许多优点外, 还有一些明显优于其他光纤传感器的地方。它是作为一种光谱分离与光波长选择的器件, 信号不受弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响; 避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。在一根光纤上串接多个光纤光栅, 把光纤嵌入(或粘于) 被测结构, 可同时得到几个测量目标的信息, 并可实现准分布式测量。然而将光栅刻划在光纤上得到光纤光栅则是最近10年才发展起来的新技术, 受到了世界各国研究机构的广泛重视。目前, 光纤光栅传感器已应用在桥梁、大坝、大型建筑、石化、电力、钢铁、核工业、飞机船舶制造、医疗等多种场合。
1、光纤光栅传感器基本原理
FBG 传感技术源于Hill等人在1978 年所发现的光纤光敏感特性。用一对强紫外光柱所产生的干涉条纹, 对光敏光纤侧面进行照射, 可以对光芯处的折射率进行永久的周期性调制, 从而制成一段折射率周期性变化的光栅。由于周期的折射率扰动仅对频率很狭窄的小段光谱产生影响, 当光波在光栅中传播时, 入射光将在这段被反射回来, 其余频率的光谱则被透射过去, 这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。能够被反射回去的波长必须满足如下条件:
（1）
式中是光栅反射的中心波长; n是光栅纤芯的有效折射率; 是光纤光芯折射率的调制周期。这个条件是首先由威廉布拉格爵士提出的, 所有按照这种原理制造的光纤光栅又称为布拉格光栅(FBG)。从式(1) 可以看出, 如果纤芯的有效折射率与调制周期发生变化, 那么反射波长也将发生变化。事实上如果光栅受到应力与温度作用时, 纤芯的有效折射率与调制周期都将发生变化, 因而我们可以通过测量反射波长的变化来感受应变与温度的变化。
现在, FBG 传感器的应用领域不断扩展, 人们已将其逐步应用于多种物理量的测量, 制成了各种传感器。主要包括FBG 应变传感器、温度传感器、位移传感器、加速度传感器、压力传感器等。下面我们就常用的应变传感器、温度传感器的测量原理进行简单介绍。反射光的中心波长随着作用于光纤光栅的应变和温度变化成线性变化, 同时考虑应变与温度变化时, 所引起的波长移动为:
（2）
式中: Pe 为有效光弹系数, 为光纤的热膨胀系数, 为光纤的热光系数。ke 为光纤光栅的应变系数,为光纤光栅温度传感的灵敏度系数。
根据式(2),只要测出布拉格波长的变化,就可以得到外界的应变或温度扰动。并且由于布拉格反射光的光谱只占入射光光谱中很小的一部分, 调整各光纤光栅传感器的栅距,使它们具有不同的,且其布拉格光谱互不重叠,就可以将若干个FBG传感器串联起来, 实现对待测结构定点的准分布式的测量。
2、光纤光栅传感器封装技术
由于裸的光纤光栅直径比较纤细, 在恶劣的工程环境中容易损伤, 因而需要对其进行封装后, 传感器才能交付使用。另外通过选用不同的封装材料, 可以实现温度补偿、应力和温度的增敏等功能。封装技术是光纤光栅传感器工程成功应用的关键技术之一。
目前常用的封装方式主要有粘贴式、管(片) 式、嵌入(植入) 式封装。
(1) 粘贴式封装。裸光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面, 并用胶黏剂进行涂抹, 是一种简便、价格低廉的封装方法。利用刻槽加盖片保护, 可以提高成活率。
(2) 管(片) 式封装。管(片) 式封装是将裸的光纤光栅置于金属管、片等媒介器件内(上) , 封装成独立的传感元件。管(片) 式封装包括金属管式封装, 基片式封装等, 是目前比较常用的光纤光栅封装方法。
如图1所示, 管式封装应变传感器主要由封装管、FBG、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。FBG 毛细管封装的核心工作是封装工艺, 封裝时必须保证FBG 准确平直的在毛细管的正中间。哈尔滨工业大学周智等人开发了无增敏型的单层金属管封装的FBG 温度传感器和增敏型双层金属套管的FBG 温度传感器。大连理工大学李宏男也开发了金属管封装的FBG 应变传感器和温度传感器。
图1管式封装的应变传感器
基片式封装有金属基片封装和树脂片封装, 封装结构主要由金
属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。该封装结构的基本思想是将FBG 封装在刻有小槽的基片上, 通过基片将被测结构的应变传到FBG 上。
夹持式封装技术的主要思想是在钢管封装的FBG 传感器的两端安装夹持构件, 如图2所示, 待测结构的应变通过夹持构件传递给FBG。该方法封装的传感器可根据实际需要改变标距长度。因此, 夹持式封装的传感器可直接粘贴或焊接在结构表面, 或用铆钉铆到结构上。
图2夹持式封装
嵌入式(植入式) 封装。该封装方法将光纤光栅植入纤维材料(CFRP, GFRP 等),形成传感元件。Moyo 等研制了FBG 应变传感器, 将光纤光栅植入碳纤维材料。欧进萍院士课题组研制了FRP2O FBG 智能复合筋。
3、光纤光栅在土木工程中的应用
下面分几个方面介绍利用这些原理进行传感测量应用的情况。
3.1 应变传感器( Strain Sensor)
光纤光栅传感器不仅可以象传统传感器一样贴在结构物表面用于测量,也是结构物内部测量物理量的较佳选择。莫淑华利用预先埋入的光纤光栅传感器,实现了混凝土结构损伤过程中内部应变的测量,根据荷载—应变关系曲线斜率的分歧点,可确定结构内部损伤的形成和扩展。在2个混凝土梁破坏试验中,光纤光栅测试曲线均比应变片测试曲线的线性度高。
由于光纤光栅传感器难以适应混凝土结构的粗放式施工要求,要实现光纤光栅应变传感器在混凝土结构中的应用,关键是要解决好传感器的布设问题。一般可以采用以下方法: (1)光纤光栅传感器套上金属导管,并与导管一起置于混凝土结构中。混凝土捣实后,在混凝土固结前将金属导管取出,这样光纤光栅传感器与混凝土很好地固结在一起。(2)将光纤光栅传感器直接粘贴于钢筋上,或在钢筋表面开一个小凹槽,使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护,如果需要更加完善的保护,则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋。钢筋的应力、应变也足以反映钢筋附件的混凝土受力状态。(3)将光纤光栅直接埋入小型预制构件中然后把小型预制构件作为大型构件的一部分埋入。(4)采用封装技术将光纤光栅传感器封装在与混凝土膨胀系数较一致的金属导管内,外部荷载通过金属导管传递到光纤光栅传感器上[ 4 ]。
3.2 温度传感器( Temperature Sensor)
通过把光纤光栅传感部分固定在与其材料温度系数相近的金属上,就做成了光纤光栅温度传感器。但是温度传感器不能固定在结构物上,避免与结构物共同受力,所以嵌入式温度传感器埋设时应该注意这一点。赵雪峰制作了一种温度传感器,将光纤光栅用钢管套装,用环氧树脂将钢管与传输段光纤粘结在一起,使光纤光栅一端固定,一端自由,最后将套管的另一端密封。图3也是一种温度传感器,它既能只测量温度的影响,又能减少输出输入光纤。
图3温度传感器
光纤光栅对应力和温度变化都比较敏感,这种交叉敏感效应严重限制了其应用。光纤光栅波长的变化,一是由于基体材料受外力和温度变化引起的,一是由于光纤材料因温度变化引起的。所以在只测量应力时,就要剔除温度的影响,只有前一项中受外力引起的波长变化才有意义。针对这一主题,国内外很多学者已进行了大量的研究,并提出各种解决方法。一种简单且非常实用的方法是采用一个参考光栅,在光纤光栅传感器附近另外放置一个参数(如应变)被隔离的传感器(参考光栅) 。参考光栅也可以与光纤光栅传感器一样置于同一根光纤上。另一种方法是采用两个具有不同波长的光纤光栅传感器(一般需要两个光源) 。它们对相同的被测物理量显示出不同的响应。此外还提出刻写在不同直径光纤上的布拉格传感器,它们具有不同的应变响应,而温度响应相同。
3.3倾角仪( Inclinometer)
长期以来,市场上的倾角仪精确度较差,而且在实际工程中因受到温度的影响,进一步降低了准确性。Ferdinand和Rougeault利用光纤光栅研制了一种新型的倾角仪如图4,解决了温度的影响,两个传感器实现了温度自补偿。当结构物旋转时,两个传感器的波长向相反方向变化,但是受温度的影响是一致的。
图4倾角仪
3.4腐蚀传感器(Corro2sion sensor)
Jonathan A1Greene等人将光纤Bragg 光栅传感器经过预应变处理,并涂附一层金属,当腐蚀发生时金属从传感器上被腐蚀掉,传感器上的残余应力减弱,从而用来指示腐蚀发生的程度。他们还对短周期和长周期的Bragg光栅传感器进行分析研究发现:短周期的传感器已能很好地用于温度、应力和其他环境参数的测量上。对长周期的传感器进行实验表明由于金属层会从光纤上脱落,腐蚀过程会导致光纤直径的变化,而且光纤波长的变化也导致包层有效折射率发生变化,当波长接近光纤时长周期光栅传感器对折射率敏感性最大。
光纤光栅传感技术以后应该解决的问题
综上所述光纖光栅传感器在许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定、更可靠、更准确。总之,光纤光栅传感器的应用是一个方兴末艾的领域,有着广阔的发展前景。目前限制光纤光栅传感器大量实际应用的最主要障碍是传感信号的解调。正在研究的光纤光栅解调方法很多,但能够实际应用的解调产品并不多,而且价格较高。其次,光纤光栅传感器应用中的其他问题也非常重要,如: (1)由于光源带宽有限,而应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠,因此可复用光栅的数目受到限制; (2)加强波长位移检测技术研究,促进光纤光栅传感及其网络技术的发展; (3)如何实现大范围、高精度、快速实时静态、动态测量; (4)如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的; (5)光纤光栅封装技术的提高; (6)光纤光栅寿命及可靠性的提高; (7)研制可测更多物理量的光纤光栅传感器等。有效地解决上述问题对于实现价廉、稳定、高分辨率、大测量范围、多光栅复用的传感系统具有重要意义,这些都有待发展。美国、德国、加拿大、英国等都在致力于新型光纤光栅传感器及解调系统。
参考文献
[1] 莫淑华,王殿富. 钢筋混凝土桥梁结构健康监测新技术研究[J]. 桥梁建设, 2003, (2) : 73～77 .
[2]Bhatia V. , Campbell D. K. ,De VriesM. J. , etal, Grating - basedop tical fiber sensors for structural analysis, SPIE, 1997, 3042: 390～399.
关键词: 光纤光栅; 光纤传感器; 土木工程
中图分类号： TN818 文献标识码： A 文章编号：
前言
光导纤维具有感测和传输双重功能, 具有柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、传输频带宽以及优良的可埋入性等优点。光纤光栅传感器除了具有光纤传感器的许多优点外, 还有一些明显优于其他光纤传感器的地方。它是作为一种光谱分离与光波长选择的器件, 信号不受弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响; 避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。在一根光纤上串接多个光纤光栅, 把光纤嵌入(或粘于) 被测结构, 可同时得到几个测量目标的信息, 并可实现准分布式测量。然而将光栅刻划在光纤上得到光纤光栅则是最近10年才发展起来的新技术, 受到了世界各国研究机构的广泛重视。目前, 光纤光栅传感器已应用在桥梁、大坝、大型建筑、石化、电力、钢铁、核工业、飞机船舶制造、医疗等多种场合。
1、光纤光栅传感器基本原理
FBG 传感技术源于Hill等人在1978 年所发现的光纤光敏感特性。用一对强紫外光柱所产生的干涉条纹, 对光敏光纤侧面进行照射, 可以对光芯处的折射率进行永久的周期性调制, 从而制成一段折射率周期性变化的光栅。由于周期的折射率扰动仅对频率很狭窄的小段光谱产生影响, 当光波在光栅中传播时, 入射光将在这段被反射回来, 其余频率的光谱则被透射过去, 这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。能够被反射回去的波长必须满足如下条件:
（1）
式中是光栅反射的中心波长; n是光栅纤芯的有效折射率; 是光纤光芯折射率的调制周期。这个条件是首先由威廉布拉格爵士提出的, 所有按照这种原理制造的光纤光栅又称为布拉格光栅(FBG)。从式(1) 可以看出, 如果纤芯的有效折射率与调制周期发生变化, 那么反射波长也将发生变化。事实上如果光栅受到应力与温度作用时, 纤芯的有效折射率与调制周期都将发生变化, 因而我们可以通过测量反射波长的变化来感受应变与温度的变化。
现在, FBG 传感器的应用领域不断扩展, 人们已将其逐步应用于多种物理量的测量, 制成了各种传感器。主要包括FBG 应变传感器、温度传感器、位移传感器、加速度传感器、压力传感器等。下面我们就常用的应变传感器、温度传感器的测量原理进行简单介绍。反射光的中心波长随着作用于光纤光栅的应变和温度变化成线性变化, 同时考虑应变与温度变化时, 所引起的波长移动为:
（2）
式中: Pe 为有效光弹系数, 为光纤的热膨胀系数, 为光纤的热光系数。ke 为光纤光栅的应变系数,为光纤光栅温度传感的灵敏度系数。
根据式(2),只要测出布拉格波长的变化,就可以得到外界的应变或温度扰动。并且由于布拉格反射光的光谱只占入射光光谱中很小的一部分, 调整各光纤光栅传感器的栅距,使它们具有不同的,且其布拉格光谱互不重叠,就可以将若干个FBG传感器串联起来, 实现对待测结构定点的准分布式的测量。
2、光纤光栅传感器封装技术
由于裸的光纤光栅直径比较纤细, 在恶劣的工程环境中容易损伤, 因而需要对其进行封装后, 传感器才能交付使用。另外通过选用不同的封装材料, 可以实现温度补偿、应力和温度的增敏等功能。封装技术是光纤光栅传感器工程成功应用的关键技术之一。
目前常用的封装方式主要有粘贴式、管(片) 式、嵌入(植入) 式封装。
(1) 粘贴式封装。裸光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面, 并用胶黏剂进行涂抹, 是一种简便、价格低廉的封装方法。利用刻槽加盖片保护, 可以提高成活率。
(2) 管(片) 式封装。管(片) 式封装是将裸的光纤光栅置于金属管、片等媒介器件内(上) , 封装成独立的传感元件。管(片) 式封装包括金属管式封装, 基片式封装等, 是目前比较常用的光纤光栅封装方法。
如图1所示, 管式封装应变传感器主要由封装管、FBG、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。FBG 毛细管封装的核心工作是封装工艺, 封裝时必须保证FBG 准确平直的在毛细管的正中间。哈尔滨工业大学周智等人开发了无增敏型的单层金属管封装的FBG 温度传感器和增敏型双层金属套管的FBG 温度传感器。大连理工大学李宏男也开发了金属管封装的FBG 应变传感器和温度传感器。
图1管式封装的应变传感器
基片式封装有金属基片封装和树脂片封装, 封装结构主要由金
属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。该封装结构的基本思想是将FBG 封装在刻有小槽的基片上, 通过基片将被测结构的应变传到FBG 上。
夹持式封装技术的主要思想是在钢管封装的FBG 传感器的两端安装夹持构件, 如图2所示, 待测结构的应变通过夹持构件传递给FBG。该方法封装的传感器可根据实际需要改变标距长度。因此, 夹持式封装的传感器可直接粘贴或焊接在结构表面, 或用铆钉铆到结构上。
图2夹持式封装
嵌入式(植入式) 封装。该封装方法将光纤光栅植入纤维材料(CFRP, GFRP 等),形成传感元件。Moyo 等研制了FBG 应变传感器, 将光纤光栅植入碳纤维材料。欧进萍院士课题组研制了FRP2O FBG 智能复合筋。
3、光纤光栅在土木工程中的应用
下面分几个方面介绍利用这些原理进行传感测量应用的情况。
3.1 应变传感器( Strain Sensor)
光纤光栅传感器不仅可以象传统传感器一样贴在结构物表面用于测量,也是结构物内部测量物理量的较佳选择。莫淑华利用预先埋入的光纤光栅传感器,实现了混凝土结构损伤过程中内部应变的测量,根据荷载—应变关系曲线斜率的分歧点,可确定结构内部损伤的形成和扩展。在2个混凝土梁破坏试验中,光纤光栅测试曲线均比应变片测试曲线的线性度高。
由于光纤光栅传感器难以适应混凝土结构的粗放式施工要求,要实现光纤光栅应变传感器在混凝土结构中的应用,关键是要解决好传感器的布设问题。一般可以采用以下方法: (1)光纤光栅传感器套上金属导管,并与导管一起置于混凝土结构中。混凝土捣实后,在混凝土固结前将金属导管取出,这样光纤光栅传感器与混凝土很好地固结在一起。(2)将光纤光栅传感器直接粘贴于钢筋上,或在钢筋表面开一个小凹槽,使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护,如果需要更加完善的保护,则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋。钢筋的应力、应变也足以反映钢筋附件的混凝土受力状态。(3)将光纤光栅直接埋入小型预制构件中然后把小型预制构件作为大型构件的一部分埋入。(4)采用封装技术将光纤光栅传感器封装在与混凝土膨胀系数较一致的金属导管内,外部荷载通过金属导管传递到光纤光栅传感器上[ 4 ]。
3.2 温度传感器( Temperature Sensor)
通过把光纤光栅传感部分固定在与其材料温度系数相近的金属上,就做成了光纤光栅温度传感器。但是温度传感器不能固定在结构物上,避免与结构物共同受力,所以嵌入式温度传感器埋设时应该注意这一点。赵雪峰制作了一种温度传感器,将光纤光栅用钢管套装,用环氧树脂将钢管与传输段光纤粘结在一起,使光纤光栅一端固定,一端自由,最后将套管的另一端密封。图3也是一种温度传感器,它既能只测量温度的影响,又能减少输出输入光纤。
图3温度传感器
光纤光栅对应力和温度变化都比较敏感,这种交叉敏感效应严重限制了其应用。光纤光栅波长的变化,一是由于基体材料受外力和温度变化引起的,一是由于光纤材料因温度变化引起的。所以在只测量应力时,就要剔除温度的影响,只有前一项中受外力引起的波长变化才有意义。针对这一主题,国内外很多学者已进行了大量的研究,并提出各种解决方法。一种简单且非常实用的方法是采用一个参考光栅,在光纤光栅传感器附近另外放置一个参数(如应变)被隔离的传感器(参考光栅) 。参考光栅也可以与光纤光栅传感器一样置于同一根光纤上。另一种方法是采用两个具有不同波长的光纤光栅传感器(一般需要两个光源) 。它们对相同的被测物理量显示出不同的响应。此外还提出刻写在不同直径光纤上的布拉格传感器,它们具有不同的应变响应,而温度响应相同。
3.3倾角仪( Inclinometer)
长期以来,市场上的倾角仪精确度较差,而且在实际工程中因受到温度的影响,进一步降低了准确性。Ferdinand和Rougeault利用光纤光栅研制了一种新型的倾角仪如图4,解决了温度的影响,两个传感器实现了温度自补偿。当结构物旋转时,两个传感器的波长向相反方向变化,但是受温度的影响是一致的。
图4倾角仪
3.4腐蚀传感器(Corro2sion sensor)
Jonathan A1Greene等人将光纤Bragg 光栅传感器经过预应变处理,并涂附一层金属,当腐蚀发生时金属从传感器上被腐蚀掉,传感器上的残余应力减弱,从而用来指示腐蚀发生的程度。他们还对短周期和长周期的Bragg光栅传感器进行分析研究发现:短周期的传感器已能很好地用于温度、应力和其他环境参数的测量上。对长周期的传感器进行实验表明由于金属层会从光纤上脱落,腐蚀过程会导致光纤直径的变化,而且光纤波长的变化也导致包层有效折射率发生变化,当波长接近光纤时长周期光栅传感器对折射率敏感性最大。
光纤光栅传感技术以后应该解决的问题
综上所述光纖光栅传感器在许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定、更可靠、更准确。总之,光纤光栅传感器的应用是一个方兴末艾的领域,有着广阔的发展前景。目前限制光纤光栅传感器大量实际应用的最主要障碍是传感信号的解调。正在研究的光纤光栅解调方法很多,但能够实际应用的解调产品并不多,而且价格较高。其次,光纤光栅传感器应用中的其他问题也非常重要,如: (1)由于光源带宽有限,而应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠,因此可复用光栅的数目受到限制; (2)加强波长位移检测技术研究,促进光纤光栅传感及其网络技术的发展; (3)如何实现大范围、高精度、快速实时静态、动态测量; (4)如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的; (5)光纤光栅封装技术的提高; (6)光纤光栅寿命及可靠性的提高; (7)研制可测更多物理量的光纤光栅传感器等。有效地解决上述问题对于实现价廉、稳定、高分辨率、大测量范围、多光栅复用的传感系统具有重要意义,这些都有待发展。美国、德国、加拿大、英国等都在致力于新型光纤光栅传感器及解调系统。
参考文献
[1] 莫淑华,王殿富. 钢筋混凝土桥梁结构健康监测新技术研究[J]. 桥梁建设, 2003, (2) : 73～77 .
[2]Bhatia V. , Campbell D. K. ,De VriesM. J. , etal, Grating - basedop tical fiber sensors for structural analysis, SPIE, 1997, 3042: 390～399.