董天奇,魏 達(dá),雷 宇,何焰藍(lán),胡小景

(國防科技大學(xué)a.光電科學(xué)與工程學(xué)院;b.理學(xué)院,湖南長沙410073)

1 引 言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,大型土木工程結(jié)構(gòu)的興建日益增多.土木工程結(jié)構(gòu)在服役過程中會受到環(huán)境侵蝕、材料老化、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等因素的共同影響,產(chǎn)生損傷累積,從而導(dǎo)致隱患的產(chǎn)生.為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、適用性與耐久性,世界各國特別是發(fā)達(dá)國家都在積極探索可用于工程結(jié)構(gòu)的、行之有效的健康監(jiān)測方法與系統(tǒng).Bragg光纖光柵以其特有的高波長選擇與光纖系統(tǒng)兼容、插入損耗低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等性能廣泛應(yīng)用于光源、光放大、光纖色散補(bǔ)償、光信號處理、光纖傳感等領(lǐng)域,并可采用光信號進(jìn)行測量和傳輸,可以實現(xiàn)現(xiàn)場的無電測量,極大地提高系統(tǒng)的安全性.在結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)監(jiān)測領(lǐng)域,光纖光柵傳感器顯示出了極大優(yōu)勢[1-5].

2 光纖光柵傳感器的特點及 Bragg光柵的工作原理

2.1 光纖光柵傳感器的特點

首先,光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、外形可變,很容易埋入材料中,對其內(nèi)部的應(yīng)變、溫度及結(jié)構(gòu)損傷等進(jìn)行高分辨率和大范圍測量;其次,光纖光柵傳感器與光纖之間存在天然的兼容性,易與光纖連接,低損耗,光譜特性好,可靠性高;再者,光纖光柵能方便地在1根光纖中串接多個Bragg光柵,構(gòu)成傳感陣列,與波分復(fù)用和時分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合,實現(xiàn)陣列分布式傳感.光纖光柵傳感器具有非傳導(dǎo)性、抗腐蝕性、抗電磁干擾的特點,適合在惡劣環(huán)境中工作.

由于測量信息是利用波長編碼,所以光纖光柵傳感器的測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響,有較強(qiáng)的抗干擾能力.

2.2 Bragg光纖光柵的工作原理

Bragg光纖光柵是利用摻雜光纖的光敏特性,通過某種工藝方法(通常是向 Ge磁芯光纖照射240 nm左右的紫外線)使外界入射的光和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用,導(dǎo)致纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋并產(chǎn)生光柵效應(yīng),這種光柵的基本光學(xué)特性是以共振波長為中心的窄帶光學(xué)濾波器,它滿足的光學(xué)方程[6]為

其中,λB為Bragg波長,Λ為光柵柵距或光柵周期,neff為光纖纖芯的有效折射率.

當(dāng)寬帶光源射入具有這種光柵的光纖時,光譜中以光柵的Bragg波長為中心的窄帶光譜在光柵處被反射,其他大部分光將發(fā)生透射而沿原來方向傳輸.當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其他物理量發(fā)生變化時,光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化,從而使反射光的波長發(fā)生變化,滿足的光學(xué)方程為

式中,pe為有效彈光常數(shù),α為光纖的熱膨脹系數(shù),ξ為光纖光柵的熱光系數(shù),ε為光纖光柵所受的應(yīng)變量,ΔT為溫度的變化量.通過測量反射光中心波長的變化,就可以獲得待測物理量的變化情況.

如圖1[7]所示,(a)表示入射光光譜,中心波長為λ0,(b)表示經(jīng)過Bragg光纖光柵(FBG)后特定波長的光被反射回來,(c)表示經(jīng)過光纖光柵后的透射光光譜,(d)表示經(jīng)過光纖光柵后的反射光光譜.

圖1 Bragg光纖光柵工作原理

3 傳統(tǒng)Bragg光纖光柵預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

圖2 傳統(tǒng)光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成

圖2是光纖光應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖[4],系統(tǒng)中寬帶光源將光輸入到環(huán)形器端口1,由端口2輸出到1×8光開關(guān),光開關(guān)的每一路由幾個不同中心波長的光柵串接構(gòu)成傳感陣列.通過不同B ragg光纖光柵的反射光波長λ11,…,λ8n,與被測對象上各觀測點相對應(yīng),分別感受各分布測點的應(yīng)力應(yīng)變,使其反射光的波長發(fā)生改變,改變的反射光經(jīng)傳輸光柵從測量現(xiàn)場傳出,輸入到環(huán)形器端口2,再由端口3輸出.通過光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)探測其波長改變量的大小,并由光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號后輸出,最后由計算機(jī)系統(tǒng)對被測對象的狀態(tài)進(jìn)行分析和評估.

該系統(tǒng)存在的缺點:

1)傳統(tǒng)的預(yù)警系統(tǒng)使用的光纖光反應(yīng)速度慢,無法實現(xiàn)實時監(jiān)測.基于B ragg光纖光柵解調(diào)儀價格昂貴,因其成本過高而不利于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中普及使用.

2)系統(tǒng)中加入了光開關(guān)分光束監(jiān)測,而且光纖光柵解調(diào)儀工作時只能進(jìn)行掃描式監(jiān)測.

這兩個因素都使得設(shè)計低成本的新型監(jiān)測系統(tǒng)尤為必要.

4 新監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 基本設(shè)計原理

圖3 光路結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 監(jiān)測原理圖

如圖3和圖4所示,當(dāng)光纖光柵傳感器中心波長為λ0處未受到外界影響時,則傳感光纖反射回來的中心波長為λ0的光將被參考光柵全部反射回去,光電探測器處沒有信號輸出;若當(dāng)傳感光柵在λ0處受到應(yīng)力變化時,反射回來的光將在中心波長λ0處發(fā)生偏移Δ,譜線產(chǎn)生位移,而參考光柵的中心反射譜線依然為λ0,則中心波長為λ0+Δ的反射光經(jīng)參考光柵后被部分反射,剩余光透過參考光柵,然后經(jīng)濾光片被區(qū)分出來,被相應(yīng)探測器感知,經(jīng)信號處理獲得光纖光柵傳感器λ0處的信息.

4.2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)實物如圖5所示.整個系統(tǒng)主要包括兩部分,即光路部分和電路部分,分別進(jìn)行信息傳感和處理.

圖5 系統(tǒng)實物圖

4.2.1 系統(tǒng)光路

1)監(jiān)測系統(tǒng)的光路

整個系統(tǒng)中光學(xué)結(jié)構(gòu)為工作主體.光路結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示,光源發(fā)出寬譜光波,經(jīng)過光纖傳輸?shù)絽⒖脊鈻?反射回射波經(jīng)環(huán)形器到達(dá)Bragg光柵傳感器,光波能量分布發(fā)生變化,透射波進(jìn)入光功率計檢測其能量變化.

圖6 新型監(jiān)測系統(tǒng)簡化設(shè)計圖

2)實現(xiàn)分布測量

如圖7所示,通過薄膜濾波器,采用波分復(fù)用技術(shù),可在1根光纖上串接多個中心波長不同的光纖光柵傳感器,將波長值和測點位置對應(yīng)起來,就可以實現(xiàn)分布式測量.

圖7 薄膜濾波器構(gòu)成復(fù)用/解復(fù)用器原理圖

4.2.2 信號處理電路

由光纖導(dǎo)出的光信號經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換為電信號,然后連接到報警電路中.

1)光信號處理電路

信號處理中通過運算放大器實現(xiàn)光的放大,將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號,從而對應(yīng)系統(tǒng)中光功率計所測量的光強(qiáng)信號.如圖8所示,Test1處的電壓為

其中 Ia為通過 R2的電流.

圖8 光信號處理電路

2)報警電路

報警電路如圖9所示.報警電路共由4個部分構(gòu)成:第一部分是 C1和 R1構(gòu)成的濾波器,濾除電路噪聲;第二部分是U1構(gòu)成的比較器電路,通過設(shè)定閾值使得正常的外界條件變化導(dǎo)致探測器信號在一定范圍內(nèi)正常浮動,降低虛警率;第三部分是報警延遲電路;最后是LED報警加蜂鳴器電路.

圖9 報警電路

4.2.3 光纖光柵傳感器的排布

為保證傳感光柵和參考光柵之間產(chǎn)生足夠的差異,設(shè)計傳感光柵與參考光柵采用 T型排布方式固定,如圖10所示.T型排布使參考光柵和傳感光柵在同一平面不同方向處,兩者所處環(huán)境相同,使之能夠?qū)?yīng)力和溫度同時監(jiān)控,當(dāng)傳感光柵受到應(yīng)變時能快速做出反應(yīng),而且差異足夠大.

圖10 光纖傳感器排布圖

4.3 實驗結(jié)果

將設(shè)計好的產(chǎn)品放在實驗室,在室溫為25℃時進(jìn)行測量.在傳感器上施加不同大小的壓力p,分別記錄未加應(yīng)力前光功率的示數(shù) P1和施加應(yīng)力后光功率的示數(shù) P2,及示數(shù)從開始變化到穩(wěn)定所需的時間Δt.數(shù)據(jù)記錄如表1所示.

表1 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)分析:

2)反應(yīng)迅速,在本次測試中變化時間Δt不超過50 m s.

3)穩(wěn)定性好,在撤去外力后基本能還原回到初始狀態(tài),最大偏差為0.051μW(140 N時).

4.4 封裝問題

光源發(fā)出的光波被耦合進(jìn)入光纖之后,經(jīng)過環(huán)形器、參考光纖光柵到達(dá)探測光柵.探測光柵和參考光柵不能裸露或直接與材料接觸,需要進(jìn)行封裝形成探測頭,以保障傳感器的穩(wěn)定性.在光學(xué)結(jié)構(gòu)中,Bragg光柵傳感器的封裝技術(shù)決定了所探測變量的類型,若采用銅片等導(dǎo)熱性好的金屬進(jìn)行封裝就能使傳感器對溫度變化敏感;若采用塑料等絕熱性較好的材料封裝則使探測器對溫度變化不敏感,主要用來探測應(yīng)力變化.可以在不同光纖上對Bragg光柵使用不同的封裝材料,使之分別對應(yīng)力和溫度敏感,將不同的傳感器分別連接成探測網(wǎng)絡(luò),這樣系統(tǒng)就能同時對應(yīng)力和溫度進(jìn)行監(jiān)控,但對于1根光纖上連接的若干Bragg光柵,采用的封裝材料必須一致,方能確定傳感信息的性質(zhì).

4.5 新系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點

1)整個系統(tǒng)中不使用光纖光柵解調(diào)儀,而是利用薄膜濾波器同樣完成了對外界的分布式測量,在價格上具有很大的優(yōu)勢.

2)由中心波長檢測轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度測量,避免了光開關(guān)分光束和光纖光柵解調(diào)儀采用掃描監(jiān)測,使得本系統(tǒng)監(jiān)測反應(yīng)速度快,實現(xiàn)了無縫監(jiān)測,不存在時間上的空白點.

5 結(jié)束語

利用本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng),使原先價格昂貴的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)變得更簡單、更容易實現(xiàn),因而可以在更多場合使用該監(jiān)控系統(tǒng),這無疑大大降低了安全和預(yù)警工作的成本.實際應(yīng)用中,在光纖光柵制作完成后,纖芯強(qiáng)度較制作前有所降低,因此必須考慮實際應(yīng)用中的可靠性及壽命問題,必須對裸光纖進(jìn)行有效的強(qiáng)度保護(hù)[8].進(jìn)一步完善設(shè)計后,該監(jiān)測系統(tǒng)在大面積的地震監(jiān)測、大型橋梁、大面積民房建筑、安全保密中有相當(dāng)大的潛力.此外,由于設(shè)備的隱蔽性,還可以制成嚴(yán)密隱蔽的防盜設(shè)備.

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