長標距光纖布拉格光柵應變監測研究

陳曉軍 丁克勤 陳 光 李 娜

（中北大學信息與通信工程學院，山西太原 030051；中國特種設備檢測研究院，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光纖光柵。光纖布拉格光柵(FBG)傳感器是近年來快速發展起來的光纖無源器件之一，它的出現在光纖技術以及眾多相關領域引起了一場新的技術革命。FBG傳感器具有重量輕、體積小、無源操作、低功率、抗電磁干擾、高靈敏度和環境耐受力強等優點，能夠解決常規檢測技術難以勝任一些測量問題[2-4]。但是一些重大結構體積大、跨度大，要求傳感器的傳感尺度更大以滿足結構監測目標。傳統標距的FBG傳感器不適合監測結構大標距范圍的應變，利用長標距布拉格光纖光柵(FBG)傳感器,能夠得到測量結構宏應變，得到結構一定長度的單元平均應變, 所以不會因局部材料的劣化或者因裂縫引起監測失效，同時也可實現準分布式測量,從而獲取結構足夠的參數信息,以利于損傷識別[5-7]。在通常的光纖光柵測應變研究中多是是采用電阻應變計測得的應變作為參考應變，但是在電阻應變計粘貼使用過程中受粘貼工序影響比較大，比如粘貼用的膠水多少都會對測量結果造成影響使得測量結果不準確。為了克服電阻應變計的缺點本文采用高精度的測試儀器引伸計對拉伸中應變進行監測，并把測得應變作為標準值，并對實驗獲得的數據進行比較分析。

2 光纖布拉格光柵應變響應原理

根據模式耦合理論，當寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時產生模式耦合，滿足布拉格條件的光會被反射回入射端，反射光的中心波長為

式中：Bλ為反射光中心波長；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Bλ取決于光柵周期Λ和有效折射率 effn 。應力和溫度是兩個能直接引起布拉格波長產生漂移的物理量。應力引起波長漂移，可以由下式給予描述：

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

式中，eP為光纖的有效彈光系數，ε為光纖光柵的軸向應變，Kε為應變靈敏度可以通過實驗標定[8-10]。

3 長短標距光纖光柵傳感性能研究

通過監測鋼板試件應變的變化研究光纖布拉格光柵傳感器的傳感性能，獲得長標距和短標距光纖布拉格應變傳感器所測得的應變數據，然后與測量手段比較成熟的高精度測試儀器引伸計所測得的應變數據進行比較，比較傳感器的優越并。思路示意圖如圖1

圖1 實驗思路示意圖Fig.1 Sketch of experiment ideas

實驗采用ZwickZ250拉伸機，引伸計為拉伸機自帶，光纖布拉格光柵解調儀為MOI-SM130，拉伸鋼板試件（根據實驗需要按照GB-T 228.1-2010使用45#鋼設計），短標距FBG應變傳感器標距為35mm，長標距FBG應變傳感器標距為240mm。用3M scotch-weld MC100膠把長標距FBG應變傳感器粘貼在試件一側，然后在試件的另一側對應位置粘貼短標距FBG應變傳感器，確保光柵的軸線標準試件的軸線一致。加載后每隔2500N保存一次應變儀和光纖光柵解調儀的數據。實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置照片Fig.2 Photo of experiment apparatus

長標距和短標距FBG應變感器測得的應變和引伸計測得應變比較如圖3，藍色曲線（S-FBG差值）表示短標距FBG應變傳感器測得應變和引伸計測得應變差值。紅色曲線（L-FBG差值）表示長標距FBG應變傳感器測得應變和引伸計測得應變差值。從圖中可以看出長標距應變傳感器測得應變和引伸計測得應變更接近，最大差別不超過15個微應變，但是短標距應變傳感器測得應變和引伸計測得應變相對差大最大相差33.62個微應變。短標距FBG應變傳感器測量標距有限不能反映鋼板整體應變變化造成測量誤差相對較大。

圖3 不同FBG傳感器測得應變與引伸計測得應變差值Fig.3 The difference of between different FBG sensors and extensometer

以高精度的測試儀器引伸計測得應變作為標準值，用MATLAB線性擬合，擬合圖如圖4和圖5。從擬合結果可以看出短標距FBG應變傳感器和長標距FBG應變傳感器反射中心波長和標距范圍內的應變都具有很好的線性關系，短標距FBG擬合度為0.9992，長標距FBG擬合度為0.9997，相比較長標距FBG傳感器擬合效果更好，反射波長和應變具有更好的相關性。上述試驗表明長標距FBG應變傳感器可以更準確測量傳感標距內的應變。

圖4 短標距FBG中心波長與應變的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of The short-gage FBG center wavelength and strain

圖5 長標距FBG中心波長與應變的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of The long-gage FBG center wavelength and strain

4 結論

通過分別將長標距、短標距FBG應變傳感器用于應變監測，并以引伸計測得應變作為標準值進行比較。與短標距FBG應變傳感器相比長標距FBG應變傳感器測得的應變引伸計測得應變具有更好的一致性，波長與應變具有更好的線性關系。對比分析試驗結果表名,長標距FBG應變傳感器能克服短標距FBG應變傳感器測量標距有限不能反映結構整體應變變化，可以準確測量傳感標距內的應變，適合監測結構大標距范圍的應變測量，可實現對大型結構健康監測的目的。

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