光纖應(yīng)變傳感器在橋梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用研究

潘曄峰

（上海安文橋梁檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海市 200437）

0 引言

現(xiàn)代橋梁工程建設(shè)規(guī)模越來越大，造價(jià)也越來越高，橋梁的管理和維護(hù)顯得更為重要：既要確保橋梁安全正常運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)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(yīng)變傳感器對(duì)橋梁的關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。這類傳感器雖然已有長期的應(yīng)用歷史，積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，還是存在一些較為嚴(yán)重的問題：容易受潮；易受周圍電磁場(chǎng)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(tǒng)的電阻應(yīng)變傳感器的缺點(diǎn)，應(yīng)用光纖傳感器進(jìn)行橋梁監(jiān)測(cè)和預(yù)警就成為一種很好的橋梁管理和維護(hù)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(jiān)測(cè)靈敏度和很寬的動(dòng)態(tài)范圍，比較容易達(dá)到1微應(yīng)變的分辨率；能做成復(fù)合傳感器探測(cè)諸多物理量、化學(xué)量和生物量，并且可以復(fù)用于構(gòu)陣或分布式監(jiān)測(cè)；抗干擾強(qiáng)，電磁對(duì)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(huán)境中使用；光路沒有接地等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)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(yīng)變傳感器，對(duì)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)及橋梁上的結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 光纖傳感器應(yīng)變測(cè)試?yán)碚摲治?/h2>

光纖傳感器的應(yīng)變測(cè)試是通過外界參量對(duì)光纖傳感器長度的改變導(dǎo)致導(dǎo)波相位的變化進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。將光纖傳感器沿著應(yīng)變發(fā)生的方向粘貼或埋入，當(dāng)基體與傳感器之間的界面不發(fā)生脫界時(shí)，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(duì)光波相位的變化進(jìn)行調(diào)制，我們?cè)O(shè)計(jì)了新的光纖干涉儀，由一個(gè)2×2單模光纖耦合器和一個(gè)3×3單模光纖耦合器組成，如圖1。

圖1 光纖干涉系統(tǒng)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(hào)臂Ft和另一根形成參考臂Fo，F(xiàn)t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(jīng)過2×2單模光纖耦合器的分路進(jìn)入信號(hào)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(qū)內(nèi)進(jìn)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(cè)PD將光轉(zhuǎn)換成電流，再由電流-電壓轉(zhuǎn)換成電壓輸出，其波形參見圖2。

圖2 光纖傳感器的各點(diǎn)輸出電壓V與相位ф之關(guān)系的波形圖

圖2中的3個(gè)電壓具有解析表達(dá)式，如下：

式（1）中，Ai、Bi(i=1、2、3…)是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)值。它與注入光纖干涉儀的光功率、實(shí)數(shù)場(chǎng)和正象場(chǎng)的耦合系數(shù)、3×3單模光纖耦合器的相位項(xiàng)、信號(hào)光纖和參考光纖以及回路光纖的光損耗系數(shù)、光電轉(zhuǎn)換和電流-電壓轉(zhuǎn)換增益等都有關(guān)系。Φs為信號(hào)相位移，由信號(hào)臂光纖所受應(yīng)變產(chǎn)生的光程變差來確定。為環(huán)境（主要是溫度）相位移，由環(huán)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(gè)相位差，并在2π相位內(nèi)可以生成6個(gè)計(jì)數(shù)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(jiān)測(cè)的結(jié)果——計(jì)數(shù)值N為：

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

通常通過對(duì)敏感光纖長度的選取，使其d0/L為整數(shù)或十進(jìn)制的整數(shù)，以便讀數(shù)N直接表示被測(cè)量X或以其倍率表示。

2 光纖傳感器應(yīng)變實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 光纖傳感器的標(biāo)定

在用光纖傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，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(biāo)定傳感器精度(精度達(dá)0.2με)要求相適應(yīng)的儀器進(jìn)行標(biāo)定。本實(shí)驗(yàn)采用上海華東電子儀器廠的標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(測(cè)試精度達(dá)0.2με)對(duì)其在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn) (無加速度、振動(dòng)、沖擊及室溫20℃左右，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，如圖3所示。

圖3 懸臂梁標(biāo)定照片

為了模擬橋梁的受力狀態(tài)以檢驗(yàn)光纖傳感器的有效性，我們研制了一套測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置——等懸臂梁。實(shí)驗(yàn)時(shí)我們將光纖傳感器直接粘貼在懸臂梁上，同時(shí)粘貼標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變片進(jìn)行對(duì)比。采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)粘貼好傳感器的懸臂梁在0～4 kg范圍內(nèi)進(jìn)行加載和卸載。分別通過光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)和電阻應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)得到應(yīng)變。光纖傳感測(cè)試系統(tǒng)由我們自己研發(fā)的光電轉(zhuǎn)換器、信號(hào)傳送器及計(jì)算機(jī)等組成。激光光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器入射到光纖應(yīng)變傳感器上，在砝碼的作用下，懸臂梁產(chǎn)生變形，光纖應(yīng)變傳感器的干涉腔發(fā)生變化，從而導(dǎo)致被光纖應(yīng)變傳感器反射回來的負(fù)載光的相位改變，改變相位后的光再經(jīng)耦合器導(dǎo)入光電探測(cè)器，光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，經(jīng)過電路分析，計(jì)算出經(jīng)過干涉腔的相位改變量的大小從而可確定出應(yīng)變的大小。標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變儀的電阻信號(hào)由YD-21型應(yīng)變測(cè)試儀得到。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)板狀拉伸試樣進(jìn)行反復(fù)加載卸載測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，所得標(biāo)定曲線如圖4所示。

圖4 光纖應(yīng)變傳感器標(biāo)定圖

從標(biāo)定曲線的斜率可知，光纖應(yīng)變傳感器與標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變儀對(duì)于應(yīng)變測(cè)量的對(duì)應(yīng)系數(shù)關(guān)系為1/0.909 1，為1.10。即光纖傳感器的1個(gè)微應(yīng)變單位對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變儀的1.10個(gè)微應(yīng)變，因此在測(cè)試時(shí)要在光纖傳感器測(cè)試結(jié)果中取修正系數(shù)1.10。

2.2 光纖傳感器實(shí)橋測(cè)試

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

圖5 光纖應(yīng)變傳感器

圖6 電阻應(yīng)變片傳感器

光纖應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變片傳感器在同一時(shí)刻采集比較可見兩者的動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常吻合。

圖7 實(shí)橋測(cè)試照片

3 結(jié)論

理論分析和試驗(yàn)研究表明，本文所設(shè)計(jì)的用于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的新型光纖傳感系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)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(yōu)良特性，其測(cè)試精度達(dá)到1微應(yīng)變，可滿足土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的要求，特別為橋梁的應(yīng)變監(jiān)測(cè)提供了新方法。

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