光纖應變傳感器在橋梁應變監測上的應用研究

潘曄峰

（上海安文橋梁檢測技術有限公司，上海市 200437）

0 引言

現代橋梁工程建設規模越來越大，造價也越來越高，橋梁的管理和維護顯得更為重要：既要確保橋梁安全正常運行和人民生命財產安全，又要物盡其用，充分提高橋梁的使用壽命。以往普遍采用電阻應變傳感器對橋梁的關鍵部位進行應變監測。這類傳感器雖然已有長期的應用歷史，積累了較豐富的經驗，但在實際應用中，還是存在一些較為嚴重的問題：容易受潮；易受周圍電磁場的干擾；長距離、大信息量傳輸困難；存活率低，往往只能一次性使用。

為了克服傳統的電阻應變傳感器的缺點，應用光纖傳感器進行橋梁監測和預警就成為一種很好的橋梁管理和維護的手段。光纖傳感器具有比普通傳感器更好的特性，比如光纖傳感器有極高的監測靈敏度和很寬的動態范圍，比較容易達到1微應變的分辨率；能做成復合傳感器探測諸多物理量、化學量和生物量，并且可以復用于構陣或分布式監測；抗干擾強，電磁對它不起任何干擾作用；耐高溫、抗腐蝕、防火防爆、絕緣安全性好，特別適用于一些特殊要求的環境中使用；光路沒有接地等優點。這些優勢是一些普通傳感器無法比擬的，而使它具有無限的生命力。

本文主要采用光纖應變傳感器，對在實驗室內及橋梁上的結構應變進行實驗測試。

1 光纖傳感器應變測試理論分析

光纖傳感器的應變測試是通過外界參量對光纖傳感器長度的改變導致導波相位的變化進行調制來實現的。將光纖傳感器沿著應變發生的方向粘貼或埋入，當基體與傳感器之間的界面不發生脫界時，可以忽略光纖涂覆層的影響，則基體的形變完全傳遞給傳感器。

為了對光波相位的變化進行調制，我們設計了新的光纖干涉儀，由一個2×2單模光纖耦合器和一個3×3單模光纖耦合器組成，如圖1。

圖1 光纖干涉系統原理圖

在圖1中，單模光纖DFB激光光源LD通過單模光纖將激光（相干光）注入到2×2單模光纖耦合器輸入端。輸出的兩根光纖與3×3單模光纖耦合器輸入端的一根光纖熔接相連，輸出端的一根形成信號臂Ft和另一根形成參考臂Fo，Ft和Fo末端各有一組反射鏡，組成Michelson(麥克爾遜)光纖干涉儀。相干光經過2×2單模光纖耦合器的分路進入信號臂和參考臂。來自干涉儀兩臂的光波在3×3單模光纖耦合區內進行干涉，再以固定的相位差分離到3根光纖輸出端輸出。光電探測PD將光轉換成電流，再由電流-電壓轉換成電壓輸出，其波形參見圖2。

圖2 光纖傳感器的各點輸出電壓V與相位ф之關系的波形圖

圖2中的3個電壓具有解析表達式，如下：

式（1）中，Ai、Bi(i=1、2、3…)是一個復雜的函數值。它與注入光纖干涉儀的光功率、實數場和正象場的耦合系數、3×3單模光纖耦合器的相位項、信號光纖和參考光纖以及回路光纖的光損耗系數、光電轉換和電流-電壓轉換增益等都有關系。Φs為信號相位移，由信號臂光纖所受應變產生的光程變差來確定。為環境（主要是溫度）相位移，由環境條件所形成的干涉儀光程差的變化量來確定。Φ0為初始相位。Φ1-2和Φ3-1分別為2路和3路與1路的相位差，由具體3×3單模光纖耦合器特性所決定，彼此是固定的三個相位差，并在2π相位內可以生成6個計數脈沖，其分辨率為：

式（2）中，λ為相干光波長，n為光纖纖芯折射率。其監測的結果——計數值N為：

式（3）中，L為應變敏感的光纖長度，X為微應變數，它既可能是一個常數，又可能是時間的函數X(t)。由式（3）可見，增加應變敏感光纖長度L時，其監測靈敏度呈線性增加。從而可以按照被測物體應變的大小隨意確定靈敏光纖的長度。最終監測結果為：

通常通過對敏感光纖長度的選取，使其d0/L為整數或十進制的整數，以便讀數N直接表示被測量X或以其倍率表示。

2 光纖傳感器應變實驗測試

2.1 光纖傳感器的標定

在用光纖傳感器進行實驗測試時，由于存在涂覆層以及傳感器與基體的相互作用程度、不均勻性等影響，通常需要選擇與被標定傳感器精度(精度達0.2με)要求相適應的儀器進行標定。本實驗采用上海華東電子儀器廠的標準靜態電阻應變儀(測試精度達0.2με)對其在靜態標準 (無加速度、振動、沖擊及室溫20℃左右，標準大氣壓)下進行靜態標定，如圖3所示。

圖3 懸臂梁標定照片

為了模擬橋梁的受力狀態以檢驗光纖傳感器的有效性，我們研制了一套測試實驗裝置——等懸臂梁。實驗時我們將光纖傳感器直接粘貼在懸臂梁上，同時粘貼標準電阻應變片進行對比。采用標準砝碼對粘貼好傳感器的懸臂梁在0～4 kg范圍內進行加載和卸載。分別通過光纖應變傳感系統和電阻應變測試系統得到應變。光纖傳感測試系統由我們自己研發的光電轉換器、信號傳送器及計算機等組成。激光光源發出的光經耦合器入射到光纖應變傳感器上，在砝碼的作用下，懸臂梁產生變形，光纖應變傳感器的干涉腔發生變化，從而導致被光纖應變傳感器反射回來的負載光的相位改變，改變相位后的光再經耦合器導入光電探測器，光信號轉化為電信號后，經過電路分析，計算出經過干涉腔的相位改變量的大小從而可確定出應變的大小。標準電阻應變儀的電阻信號由YD-21型應變測試儀得到。

對標準板狀拉伸試樣進行反復加載卸載測試，對測試數據進行處理。根據數據處理結果，所得標定曲線如圖4所示。

圖4 光纖應變傳感器標定圖

從標定曲線的斜率可知，光纖應變傳感器與標準電阻應變儀對于應變測量的對應系數關系為1/0.909 1，為1.10。即光纖傳感器的1個微應變單位對應標準電阻應變儀的1.10個微應變，因此在測試時要在光纖傳感器測試結果中取修正系數1.10。

2.2 光纖傳感器實橋測試

同樣方法，我們把光纖應變傳感器和電阻應變片粘貼在同一實橋鋼梁下，檢測橋梁在實際車載情況下兩者的測試情況如圖5～圖7。

圖5 光纖應變傳感器

圖6 電阻應變片傳感器

光纖應變傳感器和電阻應變片傳感器在同一時刻采集比較可見兩者的動態響應非常吻合。

圖7 實橋測試照片

3 結論

理論分析和試驗研究表明，本文所設計的用于應變監測的新型光纖傳感系統具有結構簡單、穩定性和線性度好，信噪比高、靈敏度高、不受電磁和雷電干擾、不怕腐蝕、壽命長等優良特性，其測試精度達到1微應變，可滿足土木工程結構健康監測的要求，特別為橋梁的應變監測提供了新方法。

[1]王慶敏，楊要恩，劉明治，王娟.光纖傳感器應變測試的研究[J].中國機械工程,2007(23):12-14.

[2]廖延彪.光纖光學[M].北京:清華大學出版社,2000.

[3]黃民雙,梁大開,袁慎芳.應用于智能結構的光纖傳感新技術研究[J].航空學報 ,2001(07):21-23.

[4]Kang H K.Development of fiber optic ingress/egress methods for smart composite structures[J].Smart Materials and Structures,2000(02):4-8.

[5]Fernando G F,Liu T.A frequency division multiplexed low-finesse fiber optic fabry-perot interferometric sensor system[J].Scientific Instruments,2000(10):11-15.