基于橋梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器溫度與應(yīng)變交叉敏感問題的研究

劉鳳超 馮進良 王洋 +韓玖會 +陳可 +吳震

摘要： 對光纖布拉格光柵（FBG）傳感器在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中產(chǎn)生的溫度與應(yīng)變交叉敏感問題進行了研究。采用參考光纖光柵法在應(yīng)變傳感光纖光柵附近額外加入一個溫度測量光纖光柵，對應(yīng)變光柵實現(xiàn)溫度補償功能。設(shè)計了基于參考光纖光柵法的FBG傳感器及FBG傳感器封裝的機械結(jié)構(gòu)，并通過實驗來驗證FBG傳感器的性能。實驗數(shù)據(jù)表明，溫度傳感光纖光柵幾乎不受應(yīng)變的影響，應(yīng)變傳感光柵的中心波長變化與溫度變化呈一階線性關(guān)系，修正后的測量結(jié)果更加精確，達到了雙參數(shù)同時測量的目的，應(yīng)變與布拉格波長的線性關(guān)系非常好，相關(guān)系數(shù)達到0.99以上。參考光纖光柵法能夠很好地解決FBG傳感器溫度與應(yīng)變交叉敏感的問題。

關(guān)鍵詞：

光纖布拉格光柵（FBG）； 應(yīng)變與溫度； 交叉敏感； 參考光纖光柵法

中圖分類號： TP 206文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.005

Sensitivity to temperature and strain of bridge structure of FBG sensor

LIU Fengchao1， FENG Jinliang1，2， WANG Yang1， HAN Jiuhui1， CHEN Ke1， WU Zhen1

（1.School of Optoelectronic Engineering， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China；

2.Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）

Abstract：

Monitoring of temperature and strain for bridge structuture optical fiber Bragg grating（FBG） sensor was researched.The method of reference fiber Bragg grating was used.An additional temperature measurement fiber Bragg grating was added near a strain sensing fiber Bragg grating.As a result， it was not affected by stress.The strain grating is to realize temperature compensation function.The FBG sensor based on the method of reference fiber Bragg grating and the mechanical structure of the encapsulated FBG sensor was designed.The performance of FBG sensors is verified in the test.Test data show that the optical fiber grating temperature sensor is hardly affected by strain.Grating strain sensor is affected by temperature at the center of the wavelength with a firstorder linear variation.The accurate measurement results were achieved.Two parameters are measured at the same time.The linear relationship of strain with the Bragg wavelength is very good.The correlation coefficient is above 0.99.The reference fiber Bragg grating method can solve the problem of FBG sensor which is sensitive to temperature and strain cross.

Keywords：

fiber Bragg grating（FBG）； temperature and strain； cross sensitivity； method of reference fiber Bragg grating

引言

光纖布拉格光柵（FBG）傳感器因其獨特的性質(zhì)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用。當應(yīng)用FBG傳感器單獨測量橋梁結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變變化時，光柵的波長漂移和溫度與應(yīng)變變化成線性關(guān)系[1]。然而在實際應(yīng)用中，溫度和應(yīng)力往往同時存在，傳感器對溫度和應(yīng)力都是敏感的。當FBG傳感器用于測量時，由于溫度和應(yīng)變均能引起光柵諧振波長的變化，監(jiān)測單個光柵諧振波長的變化無法對溫度和應(yīng)變各自引起的變化加以區(qū)分[2]。因此，溫度和應(yīng)變交叉敏感問題一直是光纖光柵傳感技術(shù)發(fā)展中亟需解決的問題。本文設(shè)計了基于參考光纖光柵法的溫度與應(yīng)變雙參數(shù)同時測量的FBG傳感器，以此來解決溫度與應(yīng)變交叉敏感的問題。

2FBG傳感器的設(shè)計

2.1FBG傳感器的結(jié)構(gòu)

溫度和應(yīng)變都會直接影響FBG傳感器的布拉格波長，采用參考光纖光柵法測量溫度和應(yīng)變，既能兩個量同時測量，又能解決交叉敏感問題。如圖1所示，在光

纖內(nèi)制作兩個相鄰距離比較小的不同中心波長的光柵。光柵1用于應(yīng)變的測量，同時也會受到溫度的影響，其波長變化為Δλ1；光柵2只用于溫度的測量，也稱為溫度補償光柵[5]，波長變化與應(yīng)變變化無關(guān)，其波長變化為Δλ2。兩個光柵相鄰，溫度對其的影響是相同的，因此光柵1因應(yīng)變的影響所引起的波長變化為Δλ1-Δλ2，其中Δλ1、Δλ2分別為：

Δλ1=λ1（KB1，TΔT+KB1，SΔS）（5）

Δλ2=λ2（KB2，TΔT+KB2，SΔS）（6）

根據(jù)光在光纖中的傳輸特性，F(xiàn)BG傳感器的布拉格波長取值范圍為1 530～1 570 nm，當光波長為1 550 nm左右時，光在光纖中傳輸損耗最小，因此選用中心波長為1 550 nm左右的FBG傳感器[6]進行制作并對其特性進行研究，其中光柵1的中心波長λ1為1 550.085 6 nm，光柵2的中心波長λ2為1 542.217 9 nm。

2.2FBG傳感器的封裝

FBG傳感器具有其他電類傳感器所不具備的優(yōu)良特性，同時也存在著一些弱點，例如光纖本身是非常脆弱的，為了更好地保護FBG傳感器，需要設(shè)計一定的機械結(jié)構(gòu)對FBG傳感器進行封裝，起到對FBG傳感器的保護作用。

FBG傳感器的封裝主要應(yīng)用金屬管和膠粘劑兩種材料[7]。為了使金屬管材料能很好地傳遞被測應(yīng)變的變化，所選材料應(yīng)具有耐腐蝕、抗疲勞、彈性范圍寬、與被測結(jié)構(gòu)相容性好的特點[8]。根據(jù)上述分析，不銹鋼管是最合適的金屬管材。溫度傳感光柵采用了懸空設(shè)計，既不使用膠粘劑也不與金屬管壁接觸，對于保護光柵起到了很好的作用，同時也不會對溫度傳感產(chǎn)生影響。應(yīng)變傳感光柵部分采用了膠粘劑與金屬管材配合，考慮到傳感器的長期使用，膠粘劑對金屬管材料和光纖應(yīng)具有很好的粘連性，同時要求延伸能力、強度和耐久性良好。膠粘接的作用是將金屬管和光纖固結(jié)在一起，使其成為一個整體[9]。該封裝不僅保持了裸光纖的溫度靈敏度，能夠自由感應(yīng)被測對象的溫度變化，而且充分消除了外界應(yīng)力的影響。傳感器的封裝模型如圖2所示。

3實驗結(jié)果及分析

3.1實驗原理

為驗證傳感器的性能是否達到設(shè)計要求，在恒溫箱內(nèi)對其進行了實驗驗證。通過對傳感器布設(shè)位置進行均勻加載，使FBG傳感器產(chǎn)生應(yīng)變變化，同時因?qū)?/p>

驗在室內(nèi)進行，應(yīng)變變化量為0～140 με，同時記錄應(yīng)變光柵和溫度光柵的波長變化，應(yīng)變測量原理如圖3所示。

通過對砝碼進行加載，可使懸臂梁處于受力狀態(tài)，F(xiàn)BG傳感器與懸臂梁粘接在一起，受力狀態(tài)相同，根據(jù)應(yīng)變計顯示不同的應(yīng)變值，獲得不同應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變光柵波長和溫度光柵波長。然后，通過控制恒溫箱的溫度變化，使光柵1處在不同的溫度場中（-50～+50 ℃），記錄光柵1受溫度變化而引起的中心波長變化。

3.2實驗數(shù)據(jù)及分析

由實驗獲得了不同應(yīng)力狀態(tài)下FBG傳感器的應(yīng)變光柵波長和溫度光柵波長，以及FBG傳感器的應(yīng)變傳感特性一階曲線和FBG傳感器的溫度傳感特性一階曲線。測量數(shù)據(jù)如表1、表2所示，特性曲線如圖4、圖5所示。

從表1中可以看出，隨著應(yīng)變的不斷增加，光柵1的波長也隨之增大，通過MATLAB軟件擬合得到FBG傳感器光柵1中心波長與應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4所示。從一階擬合曲線可以得出FBG傳感器的靈敏度系數(shù)為1.22 pm/με，F(xiàn)BG傳感器的布拉格波長與應(yīng)變的線性關(guān)系很好，相關(guān)系數(shù)可達0.99以上，說明FBG傳感器是非常好的應(yīng)變傳感元件。光柵2的波長在應(yīng)變變化的過程中基本保持不變，說明應(yīng)變的變化對溫度傳感光柵幾乎不產(chǎn)生影響，F(xiàn)BG傳感器的性能非常穩(wěn)定。波長移動量如表2所示，通過觀察光柵2的波長移動量可知，F(xiàn)BG傳感器中測溫光柵的性能穩(wěn)定，基本不受應(yīng)變的影響，達到了溫度參考的作用。

通過對FBG傳感器應(yīng)變傳感光柵的測試，獲得了如圖5所示的FBG傳感器溫度特性曲線，隨著溫度的均勻增加，光柵1的中心波長隨溫度變化近似呈線性變化，通過擬合可近似得出溫度變化與光柵1中心波長的關(guān)系

λ′1=1 550.268+0.008 6ΔT（7）

因此，在實際測量中，當同一測量點同時具有溫度和應(yīng)變變化時，應(yīng)變傳感光柵1的中心波長移動量應(yīng)剔除由溫度變化引起的微小變化量，修正后的Δλ計算公式為

Δλ=Δλ1-Δλ2-（λ1-λ′1）（8）

由式（8）計算獲得的純應(yīng)變引起的光柵中心波長變化量更加準確，更具參考價值。

4結(jié)論

基于FBG傳感器的參考光纖光柵法能夠解決橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中應(yīng)變與溫度交叉敏感的問題，溫度傳感光柵的中心波長基本不受應(yīng)變變化的影響，應(yīng)變傳感光柵中心波長變化與溫度變化呈線性關(guān)系，經(jīng)修正后測量數(shù)據(jù)更貼近于實際情況，很好地達到了解決問題的目的。設(shè)計的FBG傳感器和FBG傳感器封裝的機械結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于實際的工程檢測中。

參考文獻：

[1]姜德生， 何偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[J].光電子·激光， 2002， 13（4）：420430.

[2]XU M G， ARCHAMBAULT J M， REEKIE L， et al.Discrimination between strain and temperature effects using dualwavelength fibre grating sensors[J].Electronics Letters， 1994， 30（13）：10851087.

[3]李宏男， 任亮.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測光纖光柵傳感技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2008：131139.

[4]張自嘉. 光纖光柵理論基礎(chǔ)與傳感技術(shù)[M].北京：科學出版社， 2009：119121.

[5]饒云江， 王義平， 朱濤.光纖光柵原理及應(yīng)用[M].北京：科學出版社， 2003：4348.

[6]任亮.光纖光柵傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[D].大連：大連理工大學， 2008：2932.

[7]于秀娟， 余有龍， 張敏， 等.鈦合金片封裝光纖光柵傳感器的應(yīng)變和溫度傳感特性研究[J].光電子·激光， 2006， 17（5）：564567.

[8]李宏男， 任亮.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測光纖光柵傳感技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2008：7881.

[9]趙雪峰， 田石柱， 周智， 等.鋼片封裝光纖光柵監(jiān)測混凝土應(yīng)變試驗研究[J].光電子·激光， 2003， 14（2）：171174.

（編輯：劉鐵英）