1 引言
光纖傳感技術(shù)是繼電測技術(shù)之后傳感技術(shù)發(fā)展的新階段。相對于機電類傳感器，光纖傳感器具有很多優(yōu)勢，如：體積小、重量輕、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、靈活方便等。以光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)為主的光纖光柵傳感器，除了具有普通光纖傳感器的優(yōu)勢之外，還有一些特別的優(yōu)勢，最主要的是傳感信號為波長調(diào)制以及復(fù)用能力強。其好處在于：測量信號不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測器老化等因素的影響;避免了干涉型光纖傳感器相位測量模糊不清等問題;在一根光纖上串接多個布拉格光柵，把光纖嵌入(或粘于)被測結(jié)構(gòu)，可同時得到幾個測量目標(biāo)的信息，并可實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量。廣泛應(yīng)用于對工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)以及對結(jié)構(gòu)變形、裂縫、整體性等結(jié)構(gòu)參數(shù)的實時在線監(jiān)測[1,2]。
應(yīng)變是材料與結(jié)構(gòu)的重要物理特征參量。結(jié)構(gòu)監(jiān)測的前提是從結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)，最能反映局部結(jié)構(gòu)特征、便于結(jié)構(gòu)安全評價與損傷定位的是應(yīng)變信號，所以說應(yīng)變是重要工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測最為重要的參數(shù)之一。通過國內(nèi)外同行的大量研究和實踐，已將應(yīng)變測量鎖定在光纖光柵傳感技術(shù)上[3,4]。
本文的主要工作是給出了光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成和實施方案，并對工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進行了論述，提出了解決方案，并將其成功地應(yīng)用于重大工程結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測中。
2 光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計
圖1 光纖光柵分布傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成
圖1是光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖。系統(tǒng)中寬帶光源輸出光輸入到環(huán)行器端口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。通過不同光纖光柵的反射光波長 …… ，與被測對象上各測量點相對應(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)傳輸光纖從測量現(xiàn)場傳出，輸入到環(huán)行器端口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，最后由計算機系統(tǒng)對被測對象的狀態(tài)進行分析和評估。
根據(jù)圖1的光纖光柵分布應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成，把整個系統(tǒng)的實施方案分為以下幾個步驟：
1)確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布：依據(jù)具體結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)用情況，確定測量點位置和測量分布方式，粗略估計各測點應(yīng)變范圍，推算出整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布概況。
2)確定各測點處光纖光柵的中心波長：根據(jù)估計的各測點應(yīng)變分布狀態(tài)，特別是各測點應(yīng)變的最大值，將各測點的位置與對應(yīng)處的光纖光柵的波長相對應(yīng)。在采用分布傳感方式時，保證各測點的各點的波長分布具有一定的間隔，間隔的大小取決于各測點應(yīng)變的最大值和應(yīng)變屬性(拉應(yīng)變還是壓應(yīng)變)，避免串在一起的光柵在工作過程中波長發(fā)生重疊。
3)確定傳感器的結(jié)構(gòu)和安裝方式：根據(jù)監(jiān)測的要求和工程實際情況，選擇傳感器的結(jié)構(gòu)形式(貼片式、埋入式等)和安裝方式(粘貼還是焊接等)，確定埋設(shè)和保護工藝。
4)確定光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)：依據(jù)對應(yīng)測點最大應(yīng)變變化值的光纖光柵波長的變化值 …… ，和各點的波長分布間隔大小( )，計算出所有測點的波長變化值和間隔值的總和，然后乘以相應(yīng)的波長余額系數(shù)1.2～1.8，確定所需光纖光柵解調(diào)器的波長解調(diào)范圍，并結(jié)合所需的測量精度，選定相應(yīng)的光纖光柵解調(diào)器和配套解調(diào)和數(shù)據(jù)分析軟件。
5)確定光纖光柵傳感器靈敏度系數(shù)K：依據(jù)所選定的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)形式和安裝方式，選定靈敏度系數(shù)K值，并在解調(diào)軟件中進行設(shè)置，測量結(jié)果直接顯示應(yīng)變值。
6)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的分析和評估：依據(jù)結(jié)構(gòu)上各測點的實測應(yīng)變值，進行特定的程序運算，確定結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變分布狀態(tài)，并對極限狀態(tài)進行報警。
