嚴(yán)鐘來(lái)

摘 要：近十年來(lái)，光纖光柵傳感技術(shù)車成為光纖傳感領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，不僅是在系統(tǒng)本身有了長(zhǎng)足發(fā)展，在應(yīng)用領(lǐng)域方面也有了較大發(fā)展。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，并取得了一定的進(jìn)步。文章通過(guò)論述光纖光柵傳感原理和光纖光柵傳感器在土木工程中的應(yīng)用，對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出了展望。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；傳感器；土木工程；應(yīng)用

光纖光柵傳感器作為一種新發(fā)展起來(lái)的傳感技術(shù)，不僅具有光纖傳感器的體積小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，還具有優(yōu)于其他光纖傳感器的地方，如：測(cè)量范圍大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。將多個(gè)光纖光柵，嵌入到一根光纖上，將光纖粘于被測(cè)結(jié)構(gòu)上，可以實(shí)現(xiàn)同一根光纖的分布式測(cè)量，并同時(shí)得到幾個(gè)測(cè)量目標(biāo)的信息。在惡劣環(huán)境中使用光纖光柵傳感器，能有效避免傳統(tǒng)光纖傳感器測(cè)量模糊等問(wèn)題。目前，光纖光柵傳感器已經(jīng)應(yīng)用于各種大型土木工程中，如：橋梁、大壩、大型建筑等。

1 光纖光柵的傳感原理

1.1 光纖光柵的原理

光纖材料具有光敏性，外界光子入射時(shí)與纖芯相互作用，并引起纖芯的折射率發(fā)生永久性變化。光纖光柵就是利用這種特性，射入紫外激光，使光纖纖芯內(nèi)形成濾光器或反射鏡，也就是空間相位光柵（圖1所示為光纖光柵傳感原理）。其射入的波長(zhǎng)必須滿足λB=2neffA。其中λB是光柵布拉格波長(zhǎng)，neff是纖芯有效折射率，A是光柵周期。由上述公式，我們可以看出，光纖光柵布拉格波長(zhǎng)（即反射中心波長(zhǎng)）與反向耦合模的有效折射率neff和光柵周期A有關(guān)，當(dāng)外界作用改變這兩個(gè)參量時(shí)，會(huì)引起光纖光柵中心波長(zhǎng)的改變。（圖2為光纖光柵結(jié)構(gòu)及光通過(guò)光柵時(shí)的能量分配示意圖）

1.2 光柵的軸向應(yīng)變和溫度改變

光柵發(fā)生軸向應(yīng)變時(shí)，由于彈性變形，光柵周期A將發(fā)生改變，并且受光彈效應(yīng)的影響，纖芯的折射率neff發(fā)生想要的變化，進(jìn)而引起中心波長(zhǎng)λB的變化。實(shí)驗(yàn)表明，光柵中心波長(zhǎng)的改變與光柵應(yīng)變二者之間成良好的線性關(guān)系。

光柵發(fā)生溫度改變時(shí)，熱膨脹和熱光效應(yīng)會(huì)引起纖芯折射率neff改變，進(jìn)而引起中心波長(zhǎng)λB的變化。實(shí)驗(yàn)表明，光柵中心波長(zhǎng)的改變與光柵溫度的改變二者之間同樣呈良好的線性關(guān)系。

光柵中心波長(zhǎng)的改變量受周期和折射率的影響，要測(cè)量λB的變化情況，可通過(guò)計(jì)算軸向應(yīng)變和溫度改變得出。但在某些情況下，需要將軸向應(yīng)變和溫度改變兩個(gè)物理量區(qū)分開(kāi)，以便同時(shí)或分開(kāi)測(cè)量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。

2 光纖光柵傳感器在土木工程中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)變傳感器

與傳統(tǒng)傳感器相同，光纖光柵傳感器可放置于被測(cè)物表面，進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。但不同的是，光纖光柵傳感器還可以測(cè)量被測(cè)物內(nèi)部物理量。我國(guó)學(xué)者通過(guò)光纖光柵變量傳感器的預(yù)先埋入，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)過(guò)程中內(nèi)部損傷應(yīng)變的實(shí)時(shí)測(cè)量，并根據(jù)荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線，確定建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部在建設(shè)過(guò)程中的損傷形成和擴(kuò)展情況。

光纖光柵傳感器是一種較為精密的儀器，而土木工程中混凝土結(jié)構(gòu)施工是粗放型的，二者互相不適應(yīng)。因此，傳感器的布設(shè)問(wèn)題就成為了光纖光柵應(yīng)變傳感器在土木工程中應(yīng)用的重難點(diǎn)。在實(shí)踐過(guò)程中，施工人員已經(jīng)摸索出一套行之有效的辦法：第一，置于混凝土中。在光纖光柵傳感器的外層，套上金屬導(dǎo)管，一起放置于混凝土結(jié)構(gòu)中。并在混凝土凝固前，將金屬導(dǎo)管取出，使傳感器與混凝土凝結(jié)在一起。第二，粘貼于原材料中。由于鋼筋是混凝土結(jié)構(gòu)的重要原材料，且附件的混凝土受力狀態(tài)可直接表現(xiàn)在鋼筋的應(yīng)力和應(yīng)變中，因此，可將傳感器置于鋼筋中：將傳感器直接粘貼于鋼筋上；或在鋼筋表面開(kāi)一個(gè)小凹槽，將光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽；或?qū)⒐鈻怕袢霃?fù)合筋中。第三，埋入到預(yù)制構(gòu)件中。將傳感器埋入小型預(yù)制構(gòu)件中，然后將小型預(yù)制構(gòu)件作為大型構(gòu)件的一部分埋入。第四，采用封裝技術(shù)。選擇與混凝土膨脹系數(shù)較一致的金屬導(dǎo)管，并將傳感器封裝到導(dǎo)管內(nèi)，外部荷載將通過(guò)金屬導(dǎo)管傳遞到應(yīng)變傳感器上。

2.2 溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器是將光纖光柵的傳感部分和與其材料溫度系數(shù)相近的金屬固定在一起。但在預(yù)埋嵌入式溫度傳感器時(shí)必須注意，為避免傳感器與結(jié)構(gòu)物一起受力，不能將傳感器固定在結(jié)構(gòu)物上。因此，可以將光纖光柵套裝在鋼管中，并使用環(huán)氧樹(shù)脂將鋼管與光纖光柵的一端進(jìn)行粘結(jié)，并封閉套管的一端。如此，溫度傳感器一端被固定，另一端是自由的。

雖然光纖光柵對(duì)軸向應(yīng)變和溫度改變很明感，但限制其應(yīng)用的也正是這種交叉敏感效應(yīng)。基體材料受外力、溫度的影響，和傳感器本身受溫度的影響，都成為影響光纖中心波長(zhǎng)的變化的因素。因此，在測(cè)量時(shí)，必須除去溫度對(duì)參數(shù)的影響，才能夠有效得出外力對(duì)中心波長(zhǎng)變化的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一課題提出了幾種解決方法。第一，設(shè)置參考光柵。在測(cè)量的光纖光柵傳感器周圍單獨(dú)放置一個(gè)被隔離的傳感器作為參考光柵，參考光柵可以和傳感器放置在同一光纖之上。第二，采用兩個(gè)不同波長(zhǎng)的（下轉(zhuǎn)第372頁(yè)）光纖光柵傳感器對(duì)同一物理量進(jìn)行測(cè)量，所得到的應(yīng)變響應(yīng)也是不同的。

2.3 傾角傳感器

2000年，F(xiàn)erdinan等人利用光纖光柵研制出第一個(gè)光纖光柵傾角傳感器，解決了市面上傾角儀精確度較差、受溫度影響較大的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)傳感器之間的溫度自補(bǔ)償。2004年，Yang在擺錘的等強(qiáng)度梁上，對(duì)稱地貼放兩根光纖光柵，通過(guò)測(cè)量等強(qiáng)度梁的應(yīng)變，從而計(jì)算傾斜角度。

2.4 腐蝕傳感器

腐蝕傳感器是在光纖Bragg光柵傳感器上涂一層金屬，并進(jìn)行預(yù)應(yīng)變的處理。當(dāng)發(fā)生腐蝕時(shí)，傳感器表面的金屬層被腐蝕掉，傳感器所感受到的應(yīng)力將減弱，進(jìn)而指示腐蝕發(fā)生的程度。研究表明：短周期的Bragg光柵傳感器在對(duì)溫度、應(yīng)力和其他環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以很好得得出有效參數(shù)。而長(zhǎng)周期的Bragg光柵傳感器，由于腐蝕作用，金屬層的脫落會(huì)導(dǎo)致光纖直徑變小，進(jìn)而影響到光纖波長(zhǎng)和折射率的變化。

3 光纖光柵傳感器在土木工程中應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)的思考

光纖光柵傳感器相比傳統(tǒng)機(jī)電類傳感器，在很多性能方面更精密、更準(zhǔn)確、更可靠、更穩(wěn)定。因此，光纖光柵傳感器的應(yīng)用，在土木工程領(lǐng)域倍受青睞。但是傳感信號(hào)的調(diào)解成為限制光纖光柵傳感器大量應(yīng)用的主要障礙。在實(shí)際應(yīng)用中，要從多方面著手研究解決當(dāng)前存在的困難，從多角度發(fā)展光纖光柵傳感技術(shù)。

第一，光纖光柵解調(diào)方法，已經(jīng)研究或正在研究的很多；但其產(chǎn)品很少，且通常價(jià)格較高；要進(jìn)一步研制出可測(cè)更多參數(shù)和變量的傳感器。

第二，傳感器的光源帶寬有限，但實(shí)際應(yīng)用中要求光柵的反射譜必須分開(kāi)、不能重疊，嚴(yán)重限制可復(fù)用光柵數(shù)目。

第三，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)波長(zhǎng)位移監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，進(jìn)而促進(jìn)光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展。

第四，思考如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高測(cè)量的范圍、準(zhǔn)確性和可靠性，如何實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量，如何提高光纖光柵的壽命封裝技術(shù)水平，如何提高。

第五，在監(jiān)測(cè)時(shí)，要根據(jù)波長(zhǎng)變化和實(shí)際環(huán)境情況，快速分辨出引起變化的原因，是應(yīng)力還是溫度。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然我國(guó)相對(duì)于美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)，對(duì)于新型光纖光柵傳感器的研究較晚，但目前已經(jīng)取得了較大的發(fā)展。光纖光柵傳感器由于尺寸小、耐腐蝕、測(cè)量范圍大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類土木工程結(jié)構(gòu)中。且隨著調(diào)節(jié)技術(shù)和成熟和傳感器的進(jìn)一步發(fā)展，光纖光柵技術(shù)在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用將展現(xiàn)出巨大的活力。

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