光纤光栅传感技术的特点分析

光纤光栅传感技术的特点

桥梁结构长期在线健康监测需要测试多种参数，包括结构参数和环境参数，桥梁结构的裂纹乃至破坏的主要表象就是应力过大、变形过大。应力测试在桥梁结构的长期健康监测中至关重要，就桥梁应力测试而言：①传统的电阻应变片传感元件的性能也在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的；但其受环境影响较大，由于温漂和零漂的影响，长期应变测试的结果会严重失真。②在混凝土内部应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦蠕变的原因，国产钢弦式应变传感器的正常使用期为3年左右。③由于机电类传感器的长期稳定性不好，桥梁结构的长期应变测试，通过国内外同行的大量实践，已将应变传感器锁定在光纤传感器上。

光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。早期的光纤传感器绝大部分是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量器件老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，它要求干涉条纹清晰；而清晰的干涉条纹来源于两路干涉光的光强相等，这使得光纤光路的灵活和连接的方便等优点大打折扣。同时由于它是一个过程传感器，并非状态传感器，要求有一个固定的参考点，也给工程应用带来了难度。因此这两类传感器在实际的工程应用中，由于安装要求高、环境影响大而受到很大的限制。

目前，应变测试的主导产品是光纤布喇格光栅(FBG)传感器，它不仅具有普

通光纤传感器的许多优点，还有一些明显优于普通光纤传感器的地方：其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于：①测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量仪器老化等因素影响；②避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固定参考点的需要，能实现长期绝对测量；③能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅，对结构的应变和温度等进行高分辨率和大范围的分布式测量。当前，光纤光栅传感器被普遍认为是实现“光纤灵巧结构”、“光纤机敏材料”的理想器件。其在航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结构、建筑结构、桥梁结构、医疗器具、核反应堆结构等都有广泛的应用。

FBG传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射布喇格波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量，其传感原理如附图1所示。

附图1. FBG 传感原理附图2 FBG分布传感系统的原理图

而

FBG的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率n eff，任

何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布喇格波长的漂移即有：

∆λB=2n eff ·∆Λ（1）

在所有引起光栅布喇格波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期Λ的变化，并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率n eff也随外界应变状态的变化而变化，这为采用

光纤布喇格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。

应力应变引起光栅布喇格波长漂移可以由下式给予描述：

()εελελε∆=∆-=∆k Pe B B 1 （2）

式中Pe 为光纤的弹光系数；εk 为应变ε引起的波长变化的灵敏度系数，由于温度

变化而引起的Bragg 波长变化量:

()T T K T T B ∆+=∆=∆ξαλ （3）

T K 为温度T 引起的波长变化的灵敏度系数，α为FBG 的热膨胀系数，ξ为FBG 的热光系数。由式（2）可知，基于此原理的FBG 应变传感器是以光的波长为最小计量单位的，而目前对FBG 波长移动的探测达到了pm 量级的高分辨率。因而其具有测量灵敏度高的特点，而且只需要探测到光纤中光栅波长分布图中波峰的准确位置，与光强无关，对光强的波动不敏感，比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力。由于拉、压应力都能对其产生Bragg 波长的变化，因此该传感器在结构检测中具有优异的变形匹配特性，其动态范围大（达10000×10-6ε）和线性度好。另一方面，在应变测量中，为了克服温度对测量的影响，由公式（3）可以看出，在测量系统可采用同种温度环境下的FBG 温度补偿传感器进行克服。

附图2 是FBG 分布传感系统的原理图。准分布的多个FBG,通过不同FBG 的反射光波长（λ1,…..λn ）， 与待测结构沿程各测量点（1,……n ）相对应，分别感受待测结构沿线分布各点的应力应变，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出；通过FBG 解调器探测其波长改变量的大小，并将之转换成电信号，由二次仪表计算出待测结构的各个测点的应力应变的大小及在整个待测结构的分布状态。

在光纤光栅应变测试系统中，光纤光栅传感器获取的稳定、高精度的应变信

号，通过光缆远程传输送入调制调解器，然后直接输入计算机信息处理系统，利用桥梁结构状况评估的专家系统，对桥梁结构的健康状况作出评价：安全（正常）和不安全（预警）（见附图3），同时将评估报告或桥梁的健康状况信息通过互联网及时传输至桥梁管理部门，从而可实现结构在线健康监测的信息化管理。特别是从光纤传感器到解调仪之间的距离可达5km以上，桥梁现场到解调仪之间仅需一根光缆连接，能实现桥梁的分布测量和集中监测处理。图中的解调器及后续的设备置于集中监控室，避免了仪器在现场难于保护的缺点，便于保养和维修，从而提高了监测系统的可靠性和易维护性。

解调器信号处理系统输出报告附图3、使用光纤光栅的在线安全监测系统示意图

因此，基于光纤光栅传感测试系统能建立起完善的桥梁在线健康监测系统，从而实现对桥梁的在线、不间断监测。从技术角度而言，该系统具有安全运营监测数据库的建立、存储、数据自检、分析；异常情况记录、危险状况报警；提供各类安全运营报表，桥梁病害诊断等；且系统自身运行可靠、传感元件寿命长、便于维护保养等功能和特点。