光纖布拉格光柵（FBG）宏應(yīng)變傳感器的制作及測量實(shí)驗(yàn)研究

易飛飛，田石柱，邱偉宸

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

摘 要：在土木工程領(lǐng)域中，光纖布拉格光柵（FBG）還處于發(fā)展階段，為了進(jìn)一步推進(jìn)光纖布拉格光柵（FBG）的發(fā)展，使其能夠廣泛應(yīng)用于工程中，研究了FBG宏應(yīng)變的制作及測量原理。以光纖布拉格光柵宏應(yīng)變傳感器為實(shí)驗(yàn)對象，研究并實(shí)現(xiàn)了光纖布拉格光柵（FBG）傳感器在平均應(yīng)變模式下的應(yīng)變測量。試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖布拉格光柵宏應(yīng)變傳感器在結(jié)構(gòu)測量中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光柵；傳感器；健康監(jiān)測；等強(qiáng)度梁；T型梁橋

自1978年含鍺光纖的光敏性被發(fā)現(xiàn)以及1989年紫外寫入技術(shù)發(fā)明以來[1-3],光纖光柵受到了世界各國研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視[4-5]。其中通訊方面的應(yīng)用也極大地推動(dòng)了光纖光柵技術(shù)的發(fā)展[6-7]。因?yàn)楣饫w傳感器具有的小巧、柔軟、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，以及其具有的對結(jié)構(gòu)服役期間的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、安全評估等方面的潛力，使其研究和應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域[8-9]。但在長期使用過程中發(fā)現(xiàn)，光纖光柵傳感器在測量過程也有它的不足，通常它只能被用來測量結(jié)構(gòu)的點(diǎn)應(yīng)變。因此專家們提出希望在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)宏應(yīng)變的測量。

1 基本原理

FBG傳感器的工作原理是基于光纖布拉格波長漂移理論。當(dāng)可調(diào)諧光源發(fā)出的光入射到含有光柵的光纖中時(shí)，波長與光柵周期一致的光將被反射，其它波長的光將不受影響地通過光柵。由于光柵的周期與應(yīng)變和溫度有關(guān)，因此通過分析反射光的波長，就可以達(dá)到測量這兩個(gè)物理量的目的。對于其它被測參量，則需要采用其它裝置或媒介將其轉(zhuǎn)化為作用于光纖光柵上的應(yīng)變或溫度的變化實(shí)現(xiàn)測量。通過建立并標(biāo)定光纖光柵應(yīng)變或溫度響應(yīng)與被測參量變化之間的關(guān)系，便可以由光纖光柵布拉格波長的變化，測量出被測量的變化[10]。

目前，F(xiàn)BG傳感器的傳感原理都是基于對布拉格光柵中心波長的測量，通過對外界擾動(dòng)引起漂移量的測量，得到應(yīng)力與溫度的測量值。

式中，λB為布拉格波長；Λ為光柵的周期；neff為纖芯的有效折射率

當(dāng)傳感器光柵周圍的溫度、應(yīng)力或其它待測量發(fā)生變化時(shí)，可能會引起光纖光柵發(fā)生改變，從而導(dǎo)致反射光的中心波長值發(fā)生漂移[9]，布拉格波長變化與應(yīng)變、溫度的關(guān)系可以近似的表示為

由上式可知對于分辨率1 pm的光譜儀，當(dāng)布拉格波長為130 nm時(shí)，溫度不變的情況下，應(yīng)變1με的外界干擾將產(chǎn)生1 pm波長的漂移。

2 試驗(yàn)設(shè)備與裝置

2.1 宏應(yīng)變傳感的制作

布拉格光柵傳感器是一種功能型的光纖傳感器，即由光纖的一部分作為傳感區(qū)，將之加工成光纖光柵，使光纖本身具有傳感能力[11]。光纖一般直徑為15～50 μm，易斷裂，所以將裸光纖含有光柵的部分封裝在一定長度的塑料護(hù)套中，在將裸光纖放入塑料護(hù)套（如圖1中的2號）時(shí)盡量使含有光柵的部分停留在塑料護(hù)套中間，防止在制作過程中光柵部分滑出塑料護(hù)套。塑料護(hù)套可以讓光纖承受一定的彎矩而不至于斷裂,需要注意的是，光纖是脆性材料，在制作過程中不應(yīng)該讓其受到剪力。再將伸出塑料護(hù)套的光纖兩端用熱熔管（如圖1中的3號）固定住，使光纖能在塑料護(hù)套中輕微轉(zhuǎn)動(dòng)但不能發(fā)生大幅度滑動(dòng)，以免將含有光柵的部分暴露在塑料護(hù)套外部。將熱熔管一小部分放入塑料護(hù)套中，并用絕緣膠帶做輕微固定。這樣做的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）可以固定住裸光纖（如圖1中的4號），使裸光纖在塑料護(hù)套中的位置得到基本固定，裸光纖不會在塑料護(hù)套有大幅度滑動(dòng)。

（2）構(gòu)件在受力的時(shí)候要保證光纖可以在塑料護(hù)套中輕微活動(dòng)。再將熱熔管另一端的裸光纖留下相對合適的長度與光纖跳線連接（如圖1中的5號）。將一根完整的光纖跳線剪成兩根，用剝纖鉗將跳線的外殼剝?nèi)ズ线m的長度，露出里面的光纖。應(yīng)該要注意的是，在將跳線中的光纖與之前的光纖連接前，應(yīng)該在跳線上套一段相對比較長的透明塑料管（如圖1中的1號），保證能包裹住全部裸露光纖，還應(yīng)留有合適長度包裹住跳線與塑料護(hù)套。使用熔接機(jī)將塑膠套中延伸出的裸光纖與光纖跳線連接，跳線另一端可以連接電腦，經(jīng)過解調(diào)，就可以測出中心波長。

圖 1 宏應(yīng)變傳感器制作材料圖

（1號：透明塑料管；2號：塑料護(hù)套；3號：熱熔管；4號：裸光纖；5號：光纖跳線）

2.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)

根據(jù)公式（2）可知，當(dāng)外界應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)BG的中心波長將發(fā)生漂移，因此，利用獲得FBG中心波長的漂移量便能得到ΔλB與ε之間的系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感。

2.2.1 ΔλB與ε之間的系數(shù) 利用FBG中心波長的漂移量可以得出ΔλB與ε之間的系數(shù)

式中，pe為有效彈光系數(shù)；對于摻鍺石英光纖，p11=0.121，p12=0.27，v=0.17，neff=1.46；因此，pe≈0.22。故

由于光纖波長長度基本在1 510～1 580 nm之間，所以每個(gè)微應(yīng)變所引起的波長漂移為1.2 μm。由公式（5）可以得出公式 （6）。

2.3 FBG宏應(yīng)變傳感器的測量試驗(yàn)

該應(yīng)變傳感特性研究所采用的實(shí)驗(yàn)裝置是基于圖2，把光柵用502膠粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁上，然后再使用解調(diào)儀器解調(diào)FBG波長。在同一個(gè)等強(qiáng)度梁上，同時(shí)粘貼光纖光柵點(diǎn)應(yīng)變和宏應(yīng)變，通過比較點(diǎn)應(yīng)變和宏應(yīng)變測量出的數(shù)據(jù)，可以驗(yàn)證宏應(yīng)變在試驗(yàn)中的可行性。

2.3.1 測讀原則 每加一級荷載（荷載變量為0.5 kg），待荷載值穩(wěn)定之后再讀光纖布拉格宏應(yīng)變和點(diǎn)應(yīng)變的中心波長的讀數(shù)。試驗(yàn)中要考慮環(huán)境溫度變化對光纖布拉格光柵應(yīng)變的影響。因此采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，以消除溫度的影響。試驗(yàn)過程中，將一根裸光纖布拉格光柵放置在等強(qiáng)度梁附近，由于其并不受力，布拉格光柵波長的移動(dòng)只與溫度有關(guān)，假設(shè)實(shí)驗(yàn)室溫度的溫度變化很小，這樣，在其它光纖布拉格光柵的中心波長移動(dòng)中減去溫度波動(dòng)引起的波長變化，可以得到結(jié)構(gòu)受力的實(shí)際應(yīng)變變化值。等強(qiáng)度梁附近放置的裸光纖光柵只測量實(shí)驗(yàn)室溫度的變化，經(jīng)測量得出試驗(yàn)過程中溫度變化幅度最大值0.2℃（見圖3），在這樣的室溫環(huán)境下，溫度對布拉格波長移動(dòng)的影響很小，可以認(rèn)為布拉格波長移動(dòng)只與測點(diǎn)的應(yīng)變變化有關(guān)。

圖 2 宏應(yīng)變傳感器粘貼在等強(qiáng)度梁上實(shí)驗(yàn)圖

圖 3 在實(shí)驗(yàn)中溫度變化圖

2.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 表1是兩次試驗(yàn)中宏應(yīng)變和點(diǎn)應(yīng)變中心波長值，可計(jì)算出各傳感器中心波長值的變化量，且各傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)均為已知，因此可計(jì)算出試驗(yàn)過程中各傳感器所測應(yīng)變值，結(jié)果見表2。

表1 FBG宏應(yīng)變傳感器測量的加載與卸載中心波長值

卸載荷載 /kN 宏應(yīng)變 點(diǎn)應(yīng)變 荷載 /kN 宏應(yīng)變 點(diǎn)應(yīng)變0 1 526.397 1 579.115 2 0.5 1 526.581 1 579.222 1.5 1 1 526.747 1 579.320 1 1.5 1 526.919 1 579.416 0.5 2 1 527.091 1 579.515 0加載

表2 FBG宏應(yīng)變傳感器加載測量與卸載測量應(yīng)變值

加載卸載荷載 /kN 宏應(yīng)變 點(diǎn)應(yīng)變 荷載 /kN 宏應(yīng)變 點(diǎn)應(yīng)變0 0 0 2 0 0 0.5 143.3 89.2 1.5 152.5 90 1 138.3 81.6 1 155.8 85 1.5 143.3 80 0.5 155.8 89.1 2 143.3 82.5 0 158.3 94.1

從表1與表2可以看出，在加載與卸載試驗(yàn)中，宏應(yīng)變值與點(diǎn)應(yīng)變值變化較穩(wěn)定，表明它有較好的適用性，可以作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的有效手段。通過比較得出宏應(yīng)變值接近點(diǎn)應(yīng)變值的兩倍。這是因?yàn)榈葟?qiáng)度梁的厚度較薄，所以必須考慮宏應(yīng)變傳感器的封裝層厚度。

如圖4所示，等強(qiáng)度梁厚度為3 mm，點(diǎn)應(yīng)變傳感器粘貼在等強(qiáng)度梁上表面，點(diǎn)應(yīng)變傳感器到等強(qiáng)度梁中性軸的距離為1.5 mm，宏應(yīng)變傳感器到等強(qiáng)度梁中性軸的位置約為3 mm。由式（7）可知應(yīng)變與傳感器到等強(qiáng)度梁中性層厚度有關(guān)，在試驗(yàn)中宏應(yīng)變到等強(qiáng)度梁中性軸的距離約為點(diǎn)應(yīng)變到等強(qiáng)度梁中性軸距離的2倍，而試驗(yàn)測得的宏應(yīng)變值接近于點(diǎn)應(yīng)變值的兩倍。即在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中宏應(yīng)變與點(diǎn)應(yīng)變同樣滿足常數(shù)倍數(shù)關(guān)系。所以試驗(yàn)表明制作的宏應(yīng)變傳感器有較好的精度。

圖4 宏應(yīng)變傳感器粘貼在等強(qiáng)度梁上示意簡圖

式中，y為橫截面上的點(diǎn)距離中性軸的距離；ρ為曲率半徑。

3 T形簡支梁模型監(jiān)測試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)構(gòu)件

試驗(yàn)構(gòu)件為一混凝土T型簡支梁，試驗(yàn)計(jì)算長度4 m，構(gòu)件實(shí)際長度4.6 m，圖5和圖6為試驗(yàn)圖。

圖5 FBG宏應(yīng)變傳感器檢測T型梁實(shí)驗(yàn)圖

圖6 FBG宏應(yīng)變傳感器檢測T型梁實(shí)驗(yàn)簡圖

該試驗(yàn)原理基于平行拓?fù)淅碚?，由?shí)驗(yàn)測量出每個(gè)單元上部及下部的宏應(yīng)變傳感器的中心波長，從而實(shí)現(xiàn)中心波長向曲率的轉(zhuǎn)換。構(gòu)件采取在跨中4個(gè)單元上布設(shè)2 m分配梁以油壓千斤頂進(jìn)行加載。加載過程以4 kN為一級，本項(xiàng)監(jiān)測中選取彈性范圍內(nèi)的0～20 kN共5級荷載進(jìn)行分析。每級荷載加載后后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)示意圖如圖6所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

測試數(shù)據(jù)見表3與表4。根據(jù)上表可得出各宏應(yīng)變傳感器中心波長的變化量，由于光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)均為1.2pm/με（也寫做με/pm，反映的是應(yīng)變與波長變化的關(guān)系），因此可計(jì)算出各單元的宏應(yīng)變，見表5與表6。

表3 FBG宏應(yīng)變測量的中心波長值

宏應(yīng)變傳感器中心波長荷載 N B B B B B B B B

表4 FBG點(diǎn)應(yīng)變測量的中心波長值

點(diǎn)應(yīng)變傳感器中心波長荷載 N T T T T T T T T

表5 FBG宏應(yīng)變測量出的應(yīng)變值

宏應(yīng)變值荷載 N B B B B B B B B

表6 FBG點(diǎn)應(yīng)變測量出的應(yīng)變值

點(diǎn)應(yīng)變值荷載 N T T T T T T T T

4 結(jié)論

為了應(yīng)用小標(biāo)距傳感器實(shí)現(xiàn)對大標(biāo)距傳感器內(nèi)的平均應(yīng)變的測量，提出大標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器制作方法，并將它應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中。由實(shí)驗(yàn)分析可得到下列結(jié)論：

（1）提出的大標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器制作方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試應(yīng)用具有良好的實(shí)用性；

（2）該方案制作的宏應(yīng)變傳感器技術(shù)難度較低，材料簡單，硬件要求亦不高；

（3）通過等強(qiáng)度梁試驗(yàn)驗(yàn)證了由此制作的光纖布拉格光柵宏應(yīng)變傳感器有較好的穩(wěn)定性，基于點(diǎn)應(yīng)變傳感器測量出的應(yīng)變值與基于宏應(yīng)變測量出的應(yīng)變值吻合度較高；

（4）通過對比分析，基于點(diǎn)應(yīng)變傳感器測量出的應(yīng)變值與基于宏應(yīng)變測量出的應(yīng)變值，可以得出大標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器在標(biāo)距內(nèi)具有較高的精度，準(zhǔn)確測量構(gòu)件大標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變。

光纖布拉格光柵（FBG）宏應(yīng)變傳感器能夠?qū)嶋H應(yīng)用到工程中。

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（責(zé)任編輯：秦中悅）

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特此公告。

蘇州科技大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部

二〇一七年一月

Experimental study on the fabrication and measurement of long-gauge fiber bragg grating

YI Yeifei,TIAN Shizhu,QIU Weicheng

（School of Civil engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

Abstract：In the field of civil engineering,the fiber Bragg grating (FBG)is still in the stage of development.In order to further advance the development of FBG and make it widely used in the engineering,this paper creatively researched the manufacturing and measuring principle of Long-Gauge fiber Bragg grating sensor.By doing experiment on the Long-Gauge fiber Bragg grating sensor,this paper studied and realized the strain measurement of Long-Gauge fiber Bragg grating (FBG)sensor[1]in the average strain mode.The test results show that the Long-Gauge fiber Bragg grating(FBG)sensor has good application value in the measurement of structure.

Key words：gratings;sensor;health monitoring;fabrication and measurement;T-beam bridge

中圖分類號：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-3270（2017）01-0007-06

[收稿日期] 2016－09-11

[作者簡介] 易飛飛（1990-），女，江蘇丹陽人，碩士研究生。

通信聯(lián)系人：田石柱（1962-），男，教授，博士，從事結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究，Email：tianshizhu@mail.。