羅旭 姜濤 姜臻

(1.沈陽市交通工程質量與安全監(jiān)督處，遼寧沈陽 110015;2.營口市交通工程技術監(jiān)理咨詢公司，遼寧營口 115000;3.大連理工大學，遼寧大連 116023)

0 引言

光纖光柵傳感器是一種無源傳感器，其利用光纖纖芯的光敏特性，在光纖的纖芯上建立周期性折射率分布，以此來控制光在該區(qū)域的傳播模式。光纖光柵的這一光學結構特征，使其具備一些獨特的性質。如，折射率的周期性調制，使特定波長的光波會被光柵反射或透射，那么光纖光柵就成為一個窄帶的反射(或透射)鏡。當一束寬譜光射入到光柵中，因為折射率的周期調制，光波就會產生耦合，使得光纖光柵的入射端就會反射出滿足布拉格方程的諧振波長的反射譜［1］。光纖中制作光柵的技術引起了人們的興趣，是因為光纖光柵的出現(xiàn)不僅給光纖通信技術和光纖傳感技術，而且給很多其他領域帶來了又一次里程碑式的革命，使人們可以設計和制作光纖光柵的新型光有源/無源器件和智能傳感器。光纖光柵傳感器可以在路面澆筑時埋入道路基層和路面結構中對結構進行實時測量，監(jiān)視結構缺陷的形成和生長。多個光纖光柵傳感器還可以串接成一個網絡對結構進行分布式檢測，得到的信號傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控室進行遙測。因此在道路工程中，光纖光柵傳感器可以成為結構監(jiān)測的重要手段。

1 工作原理

在光學系統(tǒng)中，反射鏡和光學衍射光柵是非常重要的光學器件，它可改變光的傳播方向或用來分析多色光的頻率。一般情況下衍射光柵是在一塊不透明屏上刻出若干狹縫，它們相互平行并相互隔開一定的距離。這種光柵調制入射平面波的振幅。光纖光柵傳感器通過調制相位得到衍射光柵，在光傳播的路徑上放置一個透明物體，透射波的相位取決于光在透明物體中的光程，周期性地改變透明物體的厚度即可完成對入射波的相位調制。

光纖芯中的折射率調制周期由式(1)給出:

其中，λ為固定紫外光源波長;θ為兩相干光束之間的夾角。

圖1 光纖光柵傳感器原理圖

對于寬帶光波，光柵只會對很窄的頻率進行調制。當寬帶光波進入光纖光柵傳感器，入射光能在特定的窄頻內反射光波，對于其余的透射光譜則進行透射(如圖1所示)，這樣，光纖光柵就起到了選擇的作用［2］。

其中，λB為反射光中心波長;neff為有效折射率;Λ為光柵周期。由此通過觀察波長的改變則可以得知想要的參數(shù)變化的情況。

光纖Bragg光柵傳感器的研究目前主要集中在溫度和應力的分布式量測中，溫度T和應變ε變化引起的λB的改變見式(3)。

其中，ΔλB為Bragg中心波長漂移量;pij為光壓系數(shù);ε為應變改變;α為熱膨脹系數(shù);ξ為熱光系數(shù);ΔT為溫度改變。

當作用于光纖Bragg光柵的被測物理量(如溫度、應力等)發(fā)生變化時，相應會引起neff和Λ的改變，從而得到反射光中心波長的漂移，借助于漂移的反饋，就可以知道測量物理量的信息［3］。

2 光纖光柵傳感器在道路工程中的應用

1993年，加拿大的Beddington Trail大橋是最早使用光纖傳感器進行監(jiān)測的橋梁之一，使用了貼在鋼增強桿和碳纖維復合材料筋上的16個光纖光柵傳感器，對橋梁結構進行了長期監(jiān)測。該項目是一個光纖傳感器應用的嘗試，這是其第一次集成于一座大型結構，并進行了長期監(jiān)測的重要項目。

德國德累斯頓A4高速公路上一座預應力混凝土橋上也應用了此項技術，其跨度72 m，德累斯頓大學的Meissner等人將Bragg光柵埋入橋的混凝土柱中，測量荷載下響應，并且用應變片作了對比試驗，證實了光纖光柵傳感器在應用過程中的可靠性。

Moyoa等人開發(fā)了一種以碳纖維材料為基體組成的復合材料制成的光纖光柵應變傳感器，由于光纖光柵在碳纖維材料中，所以產生了應變損耗，改變了光纖光柵的靈敏度，在應用之前需要先進行標定試驗［4］。

光纖光柵在國內的應用情況如下:

歐進萍、周智等人研制開發(fā)FRP-OFBG智能復合筋，并在混凝土梁中進行試驗，這種智能筋可以感知自身的應變情況。并將其應用到道路工程當中，研制出路面結構用光纖光柵應變傳感器［5］。

其中使用的FBG應變傳感器如圖2所示。

圖2 長標距和短標距GFRP封裝FBG應變傳感器

泰安—萊蕪一級公路建成于1993年10月，對該路段進行舊路改造，在改造過程中采用了FBG傳感器。陳少幸等人利用光纖光柵對瀝青路面結構的應變測試研究，采用兩種金屬外殼封裝的光纖光柵應變傳感器對瀝青路面結構的應變進行了測量，并在試驗路上進行了試驗［6］。

得到的應變實測值與實際值對比如圖3所示。

2005年，在山東泰安—萊蕪的高速公路改造工程中，哈爾濱工業(yè)大學、山東大學及山東省公路局聯(lián)合對新型的路面結構層進行了監(jiān)測。在其過程中就利用了光纖光柵傳感器。在其試驗過程中傳感器的成活率得到了保證并且能夠準確定位其傳感器的存活位置。

圖3 應變實測值與實際值對比(單位：μm)

2006年哈爾濱工業(yè)大學應用FRB光纖光柵傳感器在北京六環(huán)高速路進行了監(jiān)測研究。光纖光柵傳感器埋在中、下面層的底部，監(jiān)測所在位置的動態(tài)三向應變以及實時溫度。經過長期的實驗和監(jiān)測可以保證光纖光柵傳感器在復雜路面條件下的成活與準確率［7］。

3 光纖光柵發(fā)展前景

光纖光柵傳感器的應用是一個方興未艾的領域，有著非常廣闊的發(fā)展前景?，F(xiàn)在光纖光柵傳感器有著很多發(fā)展方向:

1)光纖結構簡化:傳感器由光纖構成且只使用一根光纖已成為發(fā)展趨勢。目前，光纖之間的粘結技術以及光纖光柵的制作技術都漸漸成熟。

2)同步采集多數(shù)據:單個傳感器可以測量應變、溫度以及多個數(shù)據的技術得到研究并取得了一定的研究成果。

3)高精度實用化:光纖傳感器在研究時都是假想為線性的，與實際情況有出入，在實際應用過程中要進一步的提高精度。

4)信息自動化:傳感器與信息網的同步聯(lián)網，多區(qū)域的同時檢測和分析也是很重要的研究方向。

同時，在道路的應用中，因為道路環(huán)境的惡劣性，如何提高傳感器的成活率和測量精度也是目前需要進一步解決的問題。

［1］姜德生.光纖光柵傳感器的應用概況［J］.光電子·激光，2002(4):76.

［2］竺 績.光纖光柵的傳感應用研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學碩士論文，2006.

［3］苑立波.光纖光柵原理與應用(一)——光纖光柵原理［J］.光通信技術，1998(1):11.

［4］Chang C C.Development of Fiber Bragg Grating Sensor Based Load Transducers［A］.Proc of the Optical Fiber Sensors Conf.(OFS 12)［C］.Williamsbure，VA，USA，1997.

［5］歐進萍，周 智，王 勃.FRP-OFBG智能復合筋及其在加筋混凝土梁中的應用［J］.高技術通訊，2005，15(4):3.

［6］陳少幸，張肖寧，徐全亮，等.瀝青混凝土路面光柵應變傳感器的試驗研究［J］.傳感技術學報，2006(4):117-119.

［7］王赫喆.工程化光纖光柵傳感器及其在路面結構中的測試研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學碩士論文，2006.