長(zhǎng)標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)研究

陳曉軍 丁克勤 陳 光 李 娜

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051；中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013）

1 引言

1978年加拿大通信研究中心的K.O.Hill[1]等人首次觀察到摻鍺光纖的光敏性并采用駐波干涉法制成了世界上第一個(gè)光纖光柵。光纖布拉格光柵(FBG)傳感器是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的光纖無(wú)源器件之一，它的出現(xiàn)在光纖技術(shù)以及眾多相關(guān)領(lǐng)域引起了一場(chǎng)新的技術(shù)革命。FBG傳感器具有重量輕、體積小、無(wú)源操作、低功率、抗電磁干擾、高靈敏度和環(huán)境耐受力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠解決常規(guī)檢測(cè)技術(shù)難以勝任一些測(cè)量問(wèn)題[2-4]。但是一些重大結(jié)構(gòu)體積大、跨度大，要求傳感器的傳感尺度更大以滿足結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)目標(biāo)。傳統(tǒng)標(biāo)距的FBG傳感器不適合監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)大標(biāo)距范圍的應(yīng)變，利用長(zhǎng)標(biāo)距布拉格光纖光柵(FBG)傳感器,能夠得到測(cè)量結(jié)構(gòu)宏應(yīng)變，得到結(jié)構(gòu)一定長(zhǎng)度的單元平均應(yīng)變, 所以不會(huì)因局部材料的劣化或者因裂縫引起監(jiān)測(cè)失效，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量,從而獲取結(jié)構(gòu)足夠的參數(shù)信息,以利于損傷識(shí)別[5-7]。在通常的光纖光柵測(cè)應(yīng)變研究中多是是采用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)得的應(yīng)變作為參考應(yīng)變，但是在電阻應(yīng)變計(jì)粘貼使用過(guò)程中受粘貼工序影響比較大，比如粘貼用的膠水多少都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響使得測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。為了克服電阻應(yīng)變計(jì)的缺點(diǎn)本文采用高精度的測(cè)試儀器引伸計(jì)對(duì)拉伸中應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把測(cè)得應(yīng)變作為標(biāo)準(zhǔn)值，并對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

2 光纖布拉格光柵應(yīng)變響應(yīng)原理

根據(jù)模式耦合理論，當(dāng)寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時(shí)產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的光會(huì)被反射回入射端，反射光的中心波長(zhǎng)為

式中：Bλ為反射光中心波長(zhǎng)；effn為FBG纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期。光纖光柵中心波長(zhǎng)Bλ取決于光柵周期Λ和有效折射率 effn 。應(yīng)力和溫度是兩個(gè)能直接引起布拉格波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移的物理量。應(yīng)力引起波長(zhǎng)漂移，可以由下式給予描述：

式中：ΔΛ為光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性形變；effnΔ為光纖的彈光效應(yīng)引起的折射率變化。在軸向應(yīng)力作用下，光纖布拉格光柵反射中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移量與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系為

式中，eP為光纖的有效彈光系數(shù)，ε為光纖光柵的軸向應(yīng)變，Kε為應(yīng)變靈敏度可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定[8-10]。

3 長(zhǎng)短標(biāo)距光纖光柵傳感性能研究

通過(guò)監(jiān)測(cè)鋼板試件應(yīng)變的變化研究光纖布拉格光柵傳感器的傳感性能，獲得長(zhǎng)標(biāo)距和短標(biāo)距光纖布拉格應(yīng)變傳感器所測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，然后與測(cè)量手段比較成熟的高精度測(cè)試儀器引伸計(jì)所測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較傳感器的優(yōu)越并。思路示意圖如圖1

圖1 實(shí)驗(yàn)思路示意圖Fig.1 Sketch of experiment ideas

實(shí)驗(yàn)采用ZwickZ250拉伸機(jī)，引伸計(jì)為拉伸機(jī)自帶，光纖布拉格光柵解調(diào)儀為MOI-SM130，拉伸鋼板試件（根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要按照GB-T 228.1-2010使用45#鋼設(shè)計(jì)），短標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器標(biāo)距為35mm，長(zhǎng)標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器標(biāo)距為240mm。用3M scotch-weld MC100膠把長(zhǎng)標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器粘貼在試件一側(cè)，然后在試件的另一側(cè)對(duì)應(yīng)位置粘貼短標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器，確保光柵的軸線標(biāo)準(zhǔn)試件的軸線一致。加載后每隔2500N保存一次應(yīng)變儀和光纖光柵解調(diào)儀的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.2 Photo of experiment apparatus

長(zhǎng)標(biāo)距和短標(biāo)距FBG應(yīng)變感器測(cè)得的應(yīng)變和引伸計(jì)測(cè)得應(yīng)變比較如圖3，藍(lán)色曲線（S-FBG差值）表示短標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得應(yīng)變和引伸計(jì)測(cè)得應(yīng)變差值。紅色曲線（L-FBG差值）表示長(zhǎng)標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得應(yīng)變和引伸計(jì)測(cè)得應(yīng)變差值。從圖中可以看出長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感器測(cè)得應(yīng)變和引伸計(jì)測(cè)得應(yīng)變更接近，最大差別不超過(guò)15個(gè)微應(yīng)變，但是短標(biāo)距應(yīng)變傳感器測(cè)得應(yīng)變和引伸計(jì)測(cè)得應(yīng)變相對(duì)差大最大相差33.62個(gè)微應(yīng)變。短標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量標(biāo)距有限不能反映鋼板整體應(yīng)變變化造成測(cè)量誤差相對(duì)較大。

圖3 不同F(xiàn)BG傳感器測(cè)得應(yīng)變與引伸計(jì)測(cè)得應(yīng)變差值Fig.3 The difference of between different FBG sensors and extensometer

以高精度的測(cè)試儀器引伸計(jì)測(cè)得應(yīng)變作為標(biāo)準(zhǔn)值，用MATLAB線性擬合，擬合圖如圖4和圖5。從擬合結(jié)果可以看出短標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器和長(zhǎng)標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器反射中心波長(zhǎng)和標(biāo)距范圍內(nèi)的應(yīng)變都具有很好的線性關(guān)系，短標(biāo)距FBG擬合度為0.9992，長(zhǎng)標(biāo)距FBG擬合度為0.9997，相比較長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感器擬合效果更好，反射波長(zhǎng)和應(yīng)變具有更好的相關(guān)性。上述試驗(yàn)表明長(zhǎng)標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器可以更準(zhǔn)確測(cè)量傳感標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變。

圖4 短標(biāo)距FBG中心波長(zhǎng)與應(yīng)變的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of The short-gage FBG center wavelength and strain

圖5 長(zhǎng)標(biāo)距FBG中心波長(zhǎng)與應(yīng)變的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of The long-gage FBG center wavelength and strain

4 結(jié)論

通過(guò)分別將長(zhǎng)標(biāo)距、短標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器用于應(yīng)變監(jiān)測(cè)，并以引伸計(jì)測(cè)得應(yīng)變作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。與短標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器相比長(zhǎng)標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得的應(yīng)變引伸計(jì)測(cè)得應(yīng)變具有更好的一致性，波長(zhǎng)與應(yīng)變具有更好的線性關(guān)系。對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果表名,長(zhǎng)標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器能克服短標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量標(biāo)距有限不能反映結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變變化，可以準(zhǔn)確測(cè)量傳感標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變，適合監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)大標(biāo)距范圍的應(yīng)變測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目的。

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