戴紹斌, 傅 冬, 朱 健
(武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)研究院, 湖北 武漢 430070)
FBG(Fiber Bragg Grating,光纖布拉格光柵)傳感器是指以光纖為載體,在光纖內(nèi)部的局部區(qū)域?qū)懭牍鈻?,利用該區(qū)域光柵反射或透射布拉格波長光譜的相關(guān)特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)量。FBG傳感器與傳統(tǒng)的電傳感器相比,在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì):(1)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕能力強(qiáng);(2)能在惡劣的化學(xué)環(huán)境下工作,信號(hào)損失極??;(3)安裝過程較為方便快捷,使用過程中不易損毀[1~4]。由于具備了以上幾個(gè)特點(diǎn),F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)中有著很好的應(yīng)用前景[5,6]。
光纖布拉格光柵是一種波長選擇反射器,光柵的布拉格波長由下式?jīng)Q定:
λB=2nΛ
(1)
式中,λB為布拉格波長,n為纖芯的有效折射率,Λ為纖芯折射率的調(diào)制周期。該波長的光波將沿來路發(fā)生反射。當(dāng)寬帶光源從光纖光柵傳感器一端入射時(shí),波長滿足(1)式的光波就會(huì)發(fā)生布拉格反射,而其余波長的光波將照常傳播。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的物理量發(fā)生變化時(shí),如當(dāng)光纖布拉格光柵受到外力作用產(chǎn)生變形時(shí),光柵周期將發(fā)生變化,同時(shí)有效折射率也會(huì)發(fā)生變化,從而使反射光的波長λB發(fā)生變化,通過測(cè)量物理量變化前后反射光波長的變化,就可以獲得待測(cè)物理量的變化[7~9]。
試驗(yàn)中采用的FBG應(yīng)變傳感器分表面式FBG應(yīng)變傳感器(圖1)與內(nèi)埋式FBG應(yīng)變傳感器(圖2)兩種。表面式FBG應(yīng)變傳感器是將光纖光柵封存于一個(gè)直徑為3 mm的起保護(hù)作用的金屬套管中,而光纖光柵的兩端則分別固定在傳感器兩端的金屬板上,使用時(shí)將這兩塊金屬板沿應(yīng)變方向?qū)ΨQ粘貼在待測(cè)區(qū)域的兩端,當(dāng)待測(cè)區(qū)域發(fā)生變形時(shí),兩塊金屬板的相對(duì)位置也隨之改變,這就使得光纖光柵產(chǎn)生伸縮變形,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的測(cè)量。內(nèi)埋式FBG應(yīng)變傳感器,是將光纖光柵封存于一個(gè)直徑為8 mm的金屬套管中,套管的兩端分別固定在兩個(gè)直徑28 mm、厚10 mm的金屬圓盤上,使用時(shí)須在澆注混凝土前將傳感器固定于混凝土內(nèi)應(yīng)變待測(cè)處,將光纖套管引出混凝土外部即可。該傳感器只能測(cè)量混凝土內(nèi)部的單向應(yīng)變,使用時(shí)須沿待測(cè)方向固定牢,以免傳感器在混凝土的澆注過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而影響其測(cè)量的可靠性[10]。
圖1 表面式FBG應(yīng)變傳感器
圖2 內(nèi)埋式FBG應(yīng)變傳感器
鋼梁與混凝土墻連接節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)構(gòu)件,采用兩種節(jié)點(diǎn)形式,鋼梁與混凝土墻的純高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件3個(gè)(編號(hào)JJ- 4、JJ-5、JJ-6,如圖3所示),鋼梁與混凝土墻的栓焊剛接節(jié)點(diǎn)試件(編號(hào)GJ-1、GJ-2、GJ-3,如圖4所示)。表面式FBG應(yīng)變傳感器被布置到試件JJ-4、JJ-5 、JJ-6和GJ-2的一個(gè)表面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量,同時(shí),為了驗(yàn)證表面式FBG傳感器的測(cè)量效果,在該測(cè)點(diǎn)處還布置了一個(gè)電阻應(yīng)變片進(jìn)行同步測(cè)量。內(nèi)埋式FBG應(yīng)變傳感器被布置到試件GJ-1、GJ-2、JJ-4和JJ-5的一個(gè)內(nèi)部測(cè)點(diǎn),以對(duì)該測(cè)點(diǎn)處混凝土局部應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量,同時(shí),在該測(cè)點(diǎn)處還布置了一個(gè)電阻應(yīng)變片進(jìn)行同步測(cè)量,以對(duì)傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。采用FBG解調(diào)儀采集每一采集時(shí)刻的波長λ,根據(jù)下式進(jìn)行換算可得到相應(yīng)的應(yīng)變值。
ε=(λn-λ0)·k
(2)
式中,λn為第n次數(shù)據(jù)采集時(shí)刻所記錄的傳感器波長;λ0為傳感器的初始波長;k為傳感器的靈敏度系數(shù)(表1、表2)。用靜態(tài)應(yīng)變采集儀采集電阻應(yīng)變片的應(yīng)變。每一個(gè)加載循環(huán)過程中進(jìn)行4次(原位1次,正向加載結(jié)束1次,卸載結(jié)束1次,反向加載結(jié)束1次)數(shù)據(jù)采集。
圖3 鋼梁與混凝土墻的純高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)
圖4 鋼梁與混凝土墻的栓焊剛接節(jié)點(diǎn)
構(gòu)件編號(hào)初始波長k值JJ-412994391.156JJ-512994751.163JJ-612994781.170GJ-212887241.242
表2 各內(nèi)埋式FBG應(yīng)變傳感器的相關(guān)參數(shù)
為了比較FBG應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變片兩種測(cè)量方法的差異,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析,并得出了相關(guān)系數(shù)(相關(guān)系數(shù)是說明兩個(gè)現(xiàn)象之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo),其范圍在[-1,+1]之間)。相關(guān)系數(shù)大于零時(shí)為正相關(guān),相關(guān)系數(shù)小于零時(shí)為負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)等于零表示不相關(guān)。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大,則兩個(gè)變量的相關(guān)程度越高。按照概率論,兩因素觀測(cè)數(shù)據(jù)列{xk}和{yk}(k=1,2,…)的相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為:
(3)
對(duì)JJ-4、JJ-5 、JJ-6和GJ-2表面測(cè)點(diǎn)處傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)與應(yīng)變片所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,根據(jù)式(3)得出了相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)(表3) 。
表3 表面測(cè)點(diǎn)處所測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)
從表3看出,數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上,最大為0.99,說明這兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)程度非常高,即表面式FBG應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變片在同一測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的應(yīng)變值是基本一致的。以加載級(jí)數(shù)為橫坐標(biāo),應(yīng)變值為縱坐標(biāo),可繪得兩條曲線,曲線的吻合程度便可直觀地反映2組數(shù)據(jù)的近似程度。圖5~圖8分別為根據(jù)4個(gè)構(gòu)件的相應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所做出的數(shù)據(jù)曲線圖。
圖5 GJ-2表面測(cè)點(diǎn)處所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線
圖7 JJ-5表面測(cè)點(diǎn)處所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線
圖8 JJ-6表面測(cè)點(diǎn)處所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線
從以上四圖可以看出,表面式FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)與電阻應(yīng)變片測(cè)得的數(shù)據(jù)基本吻合。由于在試驗(yàn)過程中存在著多種干擾因素,并且測(cè)量本身就具有一定的誤差,所以可以認(rèn)為表面式FBG應(yīng)變傳感器的測(cè)量效果,已達(dá)到電阻應(yīng)變片的效果。
對(duì)試件GJ-1、GJ-2、JJ-4和JJ-5混凝土墻內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處所測(cè)得的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析,根據(jù)式(3)得出了相應(yīng)的相關(guān)性系數(shù)(表4)。
表4 內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處所測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)
同樣以加載級(jí)數(shù)為橫坐標(biāo),以應(yīng)變值為縱坐標(biāo)做數(shù)據(jù)曲線 (圖9~圖12)。
圖9 GJ-1內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線
圖10 GJ-2內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線
圖11 JJ-4內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線
圖12 JJ-5內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線
從以上四圖可以看出,在整個(gè)加載前期,兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)程度都是比較高的,但是在加載后期隨著加載級(jí)數(shù)的增加,兩組數(shù)據(jù)的偏離程度越來越大,從而導(dǎo)致了兩組數(shù)據(jù)的整體相關(guān)系數(shù)大大降低。由于混凝土內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)量本來就比較困難,在墻體混凝土澆注初期電阻應(yīng)變片不可避免地受到周圍潮濕環(huán)境的影響,相比用電阻應(yīng)變片測(cè)量構(gòu)件的表面應(yīng)變來說,其測(cè)量效果必然會(huì)大打折扣;另外由于內(nèi)埋式FBG應(yīng)變傳感器將光柵光纖封存于金屬套管內(nèi),因此大大減少了混凝土內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境對(duì)光纖光柵可能造成的影響,這就導(dǎo)致了兩者測(cè)量結(jié)的不一致。
(1)FBG應(yīng)變傳感器受外界環(huán)境影響小,安裝和使用過程中不易損壞,這一點(diǎn)大大優(yōu)于電阻應(yīng)變片。
(2)電阻應(yīng)變片所采用的應(yīng)變采集儀調(diào)試復(fù)雜且容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定現(xiàn)象,而FBG應(yīng)變傳感器采用波長解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,穩(wěn)定性高,操作簡(jiǎn)單。
(3)對(duì)于構(gòu)件表面應(yīng)變的測(cè)量,表面式FBG應(yīng)變傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)與電阻應(yīng)變片測(cè)得的數(shù)據(jù)基本一致,這一結(jié)果驗(yàn)證了表面式FBG應(yīng)變傳感器的可用性與適用性。
(4)對(duì)于混凝土內(nèi)部的應(yīng)變測(cè)量,在整個(gè)加載的前期,內(nèi)埋啞鈴式FBG應(yīng)變傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)與應(yīng)變片所測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,但在加載后期兩者存在較大差別。
[1]王曉杰, 孫旭光, 姚賢波. 光纖光柵傳感技術(shù)在網(wǎng)殼滑移法施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 廣東土木與建筑, 2002, (4): 38-40.
[2]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): 420-430.
[3]林鈞岫, 王文華, 王小旭. 光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 44(6): 931-936.
[4]彭友桂. 光纖光柵傳感技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].科技廣場(chǎng), 2006, (4): 10-12.
[5]黃尚廉, 陳偉民, 饒?jiān)平?等. 光纖應(yīng)變傳感器及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 測(cè)控技術(shù), 2004, 23(6): 1-4.
[6]周 智, 李冀龍, 歐進(jìn)萍. 埋入式光纖光柵界面應(yīng)變傳遞機(jī)理與誤差修正[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, (1): 49-55.
[7]張建平. 光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用[J]. 甘肅科技縱橫, 2009, 38(2): 41-42.
[8]祖 偉, 馬修水, 李桂華. 光纖光柵傳感器原理與應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)[J]. 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 7(2): 83-84.
[9]李 科, 陳峰華. 光纖Bragg光柵傳感原理及其應(yīng)用[J]. 山西科技, 2008, (1): 132-133.
[10]南秋明. 光纖光柵應(yīng)變傳感器的研制及應(yīng)用[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2003.