易飛飛，田石柱，邱偉宸

（蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州215011）

光纖布拉格光柵（FBG）宏應變傳感器的制作及測量實驗研究

易飛飛，田石柱，邱偉宸

（蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州215011）

在土木工程領(lǐng)域中，光纖布拉格光柵（FBG）還處于發(fā)展階段，為了進一步推進光纖布拉格光柵（FBG）的發(fā)展，使其能夠廣泛應用于工程中，研究了FBG宏應變的制作及測量原理。以光纖布拉格光柵宏應變傳感器為實驗對象，研究并實現(xiàn)了光纖布拉格光柵（FBG）傳感器在平均應變模式下的應變測量。試驗結(jié)果表明，光纖布拉格光柵宏應變傳感器在結(jié)構(gòu)測量中具有較好的應用價值。

光柵；傳感器；健康監(jiān)測；等強度梁；T型梁橋

自1978年含鍺光纖的光敏性被發(fā)現(xiàn)以及1989年紫外寫入技術(shù)發(fā)明以來[1-3],光纖光柵受到了世界各國研究機構(gòu)的廣泛重視[4-5]。其中通訊方面的應用也極大地推動了光纖光柵技術(shù)的發(fā)展[6-7]。因為光纖傳感器具有的小巧、柔軟、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點，以及其具有的對結(jié)構(gòu)服役期間的工作狀態(tài)進行監(jiān)測、安全評估等方面的潛力，使其研究和應用逐漸擴展到土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域[8-9]。但在長期使用過程中發(fā)現(xiàn)，光纖光柵傳感器在測量過程也有它的不足，通常它只能被用來測量結(jié)構(gòu)的點應變。因此專家們提出希望在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應用中實現(xiàn)宏應變的測量。

1 基本原理

FBG傳感器的工作原理是基于光纖布拉格波長漂移理論。當可調(diào)諧光源發(fā)出的光入射到含有光柵的光纖中時，波長與光柵周期一致的光將被反射，其它波長的光將不受影響地通過光柵。由于光柵的周期與應變和溫度有關(guān)，因此通過分析反射光的波長，就可以達到測量這兩個物理量的目的。對于其它被測參量，則需要采用其它裝置或媒介將其轉(zhuǎn)化為作用于光纖光柵上的應變或溫度的變化實現(xiàn)測量。通過建立并標定光纖光柵應變或溫度響應與被測參量變化之間的關(guān)系，便可以由光纖光柵布拉格波長的變化，測量出被測量的變化[10]。

目前，F(xiàn)BG傳感器的傳感原理都是基于對布拉格光柵中心波長的測量，通過對外界擾動引起漂移量的測量，得到應力與溫度的測量值。

式中，λB為布拉格波長；Λ為光柵的周期；neff為纖芯的有效折射率

當傳感器光柵周圍的溫度、應力或其它待測量發(fā)生變化時，可能會引起光纖光柵發(fā)生改變，從而導致反射光的中心波長值發(fā)生漂移[9]，布拉格波長變化與應變、溫度的關(guān)系可以近似的表示為

由上式可知對于分辨率1 pm的光譜儀，當布拉格波長為130 nm時，溫度不變的情況下，應變1με的外界干擾將產(chǎn)生1 pm波長的漂移。

2 試驗設備與裝置

2.1 宏應變傳感的制作

布拉格光柵傳感器是一種功能型的光纖傳感器，即由光纖的一部分作為傳感區(qū)，將之加工成光纖光柵，使光纖本身具有傳感能力[11]。光纖一般直徑為15～50 μm，易斷裂，所以將裸光纖含有光柵的部分封裝在一定長度的塑料護套中，在將裸光纖放入塑料護套（如圖1中的2號）時盡量使含有光柵的部分停留在塑料護套中間，防止在制作過程中光柵部分滑出塑料護套。塑料護套可以讓光纖承受一定的彎矩而不至于斷裂,需要注意的是，光纖是脆性材料，在制作過程中不應該讓其受到剪力。再將伸出塑料護套的光纖兩端用熱熔管（如圖1中的3號）固定住，使光纖能在塑料護套中輕微轉(zhuǎn)動但不能發(fā)生大幅度滑動，以免將含有光柵的部分暴露在塑料護套外部。將熱熔管一小部分放入塑料護套中，并用絕緣膠帶做輕微固定。這樣做的作用體現(xiàn)在兩個方面：

（1）可以固定住裸光纖（如圖1中的4號），使裸光纖在塑料護套中的位置得到基本固定，裸光纖不會在塑料護套有大幅度滑動。

（2）構(gòu)件在受力的時候要保證光纖可以在塑料護套中輕微活動。再將熱熔管另一端的裸光纖留下相對合適的長度與光纖跳線連接（如圖1中的5號）。將一根完整的光纖跳線剪成兩根，用剝纖鉗將跳線的外殼剝?nèi)ズ线m的長度，露出里面的光纖。應該要注意的是，在將跳線中的光纖與之前的光纖連接前，應該在跳線上套一段相對比較長的透明塑料管（如圖1中的1號），保證能包裹住全部裸露光纖，還應留有合適長度包裹住跳線與塑料護套。使用熔接機將塑膠套中延伸出的裸光纖與光纖跳線連接，跳線另一端可以連接電腦，經(jīng)過解調(diào)，就可以測出中心波長。

圖 1 宏應變傳感器制作材料圖

2.2 試驗方案與試驗

根據(jù)公式（2）可知，當外界應變發(fā)生變化時，F(xiàn)BG的中心波長將發(fā)生漂移，因此，利用獲得FBG中心波長的漂移量便能得到ΔλB與ε之間的系數(shù)，從而實現(xiàn)應變傳感。

2.2.1 ΔλB與ε之間的系數(shù) 利用FBG中心波長的漂移量可以得出ΔλB與ε之間的系數(shù)

式中，pe為有效彈光系數(shù)；對于摻鍺石英光纖，p11=0.121，p12=0.27，v=0.17，neff=1.46；因此，pe≈0.22。故

由于光纖波長長度基本在1 510～1 580 nm之間，所以每個微應變所引起的波長漂移為1.2 μm。由公式（5）可以得出公式 （6）。

2.3 FBG宏應變傳感器的測量試驗

該應變傳感特性研究所采用的實驗裝置是基于圖2，把光柵用502膠粘貼在等強度懸臂梁上，然后再使用解調(diào)儀器解調(diào)FBG波長。在同一個等強度梁上，同時粘貼光纖光柵點應變和宏應變，通過比較點應變和宏應變測量出的數(shù)據(jù)，可以驗證宏應變在試驗中的可行性。

2.3.1 測讀原則 每加一級荷載（荷載變量為0.5 kg），待荷載值穩(wěn)定之后再讀光纖布拉格宏應變和點應變的中心波長的讀數(shù)。試驗中要考慮環(huán)境溫度變化對光纖布拉格光柵應變的影響。因此采用溫度補償技術(shù)，以消除溫度的影響。試驗過程中，將一根裸光纖布拉格光柵放置在等強度梁附近，由于其并不受力，布拉格光柵波長的移動只與溫度有關(guān)，假設實驗室溫度的溫度變化很小，這樣，在其它光纖布拉格光柵的中心波長移動中減去溫度波動引起的波長變化，可以得到結(jié)構(gòu)受力的實際應變變化值。等強度梁附近放置的裸光纖光柵只測量實驗室溫度的變化，經(jīng)測量得出試驗過程中溫度變化幅度最大值0.2℃（見圖3），在這樣的室溫環(huán)境下，溫度對布拉格波長移動的影響很小，可以認為布拉格波長移動只與測點的應變變化有關(guān)。

圖 2 宏應變傳感器粘貼在等強度梁上實驗圖

圖 3 在實驗中溫度變化圖

2.3.2 試驗數(shù)據(jù)分析 表1是兩次試驗中宏應變和點應變中心波長值，可計算出各傳感器中心波長值的變化量，且各傳感器的應變靈敏度系數(shù)均為已知，因此可計算出試驗過程中各傳感器所測應變值，結(jié)果見表2。

表1 FBG宏應變傳感器測量的加載與卸載中心波長值

表2 FBG宏應變傳感器加載測量與卸載測量應變值

從表1與表2可以看出，在加載與卸載試驗中，宏應變值與點應變值變化較穩(wěn)定，表明它有較好的適用性，可以作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的有效手段。通過比較得出宏應變值接近點應變值的兩倍。這是因為等強度梁的厚度較薄，所以必須考慮宏應變傳感器的封裝層厚度。

如圖4所示，等強度梁厚度為3 mm，點應變傳感器粘貼在等強度梁上表面，點應變傳感器到等強度梁中性軸的距離為1.5 mm，宏應變傳感器到等強度梁中性軸的位置約為3 mm。由式（7）可知應變與傳感器到等強度梁中性層厚度有關(guān)，在試驗中宏應變到等強度梁中性軸的距離約為點應變到等強度梁中性軸距離的2倍，而試驗測得的宏應變值接近于點應變值的兩倍。即在實驗數(shù)據(jù)中宏應變與點應變同樣滿足常數(shù)倍數(shù)關(guān)系。所以試驗表明制作的宏應變傳感器有較好的精度。

圖4 宏應變傳感器粘貼在等強度梁上示意簡圖

式中，y為橫截面上的點距離中性軸的距離；ρ為曲率半徑。

3 T形簡支梁模型監(jiān)測試驗

3.1 試驗構(gòu)件

試驗構(gòu)件為一混凝土T型簡支梁，試驗計算長度4 m，構(gòu)件實際長度4.6 m，圖5和圖6為試驗圖。

圖5 FBG宏應變傳感器檢測T型梁實驗圖

圖6 FBG宏應變傳感器檢測T型梁實驗簡圖

該試驗原理基于平行拓撲理論，由實驗測量出每個單元上部及下部的宏應變傳感器的中心波長，從而實現(xiàn)中心波長向曲率的轉(zhuǎn)換。構(gòu)件采取在跨中4個單元上布設2 m分配梁以油壓千斤頂進行加載。加載過程以4 kN為一級，本項監(jiān)測中選取彈性范圍內(nèi)的0～20 kN共5級荷載進行分析。每級荷載加載后后進行數(shù)據(jù)采集，試驗示意圖如圖6所示。

3.2 試驗結(jié)果與分析

測試數(shù)據(jù)見表3與表4。根據(jù)上表可得出各宏應變傳感器中心波長的變化量，由于光纖光柵的應變靈敏度系數(shù)均為1.2pm/με（也寫做με/pm，反映的是應變與波長變化的關(guān)系），因此可計算出各單元的宏應變，見表5與表6。

表3 FBG宏應變測量的中心波長值

表4 FBG點應變測量的中心波長值

表5 FBG宏應變測量出的應變值

表6 FBG點應變測量出的應變值

4 結(jié)論

為了應用小標距傳感器實現(xiàn)對大標距傳感器內(nèi)的平均應變的測量，提出大標距FBG應變傳感器制作方法，并將它應用到實驗中。由實驗分析可得到下列結(jié)論：

（1）提出的大標距FBG應變傳感器制作方法，經(jīng)實驗測試應用具有良好的實用性；

（2）該方案制作的宏應變傳感器技術(shù)難度較低，材料簡單，硬件要求亦不高；

（3）通過等強度梁試驗驗證了由此制作的光纖布拉格光柵宏應變傳感器有較好的穩(wěn)定性，基于點應變傳感器測量出的應變值與基于宏應變測量出的應變值吻合度較高；

（4）通過對比分析，基于點應變傳感器測量出的應變值與基于宏應變測量出的應變值，可以得出大標距FBG應變傳感器在標距內(nèi)具有較高的精度，準確測量構(gòu)件大標距內(nèi)的平均應變。

光纖布拉格光柵（FBG）宏應變傳感器能夠?qū)嶋H應用到工程中。

[1]田石柱，曹長城，王大鵬.光纖光柵傳感器監(jiān)測混凝土簡支梁裂縫的實驗研究[J]2013，40（1）：1-5.

[2]HILL K O,MALO B,BILODEAU F.Bragg grating fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask[J]. App Phys Lett,1993,62:1035-1037.

[3]MELTZ G,MOREY W W,GLENN H.Formation of Bragg grating In optical fiber by a transverse holographic method optical[J].Opt Lett,1989, 14（15）:823-825.

[4]KERSEY A D,Davis M A.Fiber grating Senors[J].Light wave Technology,1997,15（8）：1442-1462.

[5]MOREY W W,BALL G A,Singh H.Application of fiber grating sensors[C].SPIE 2839,USA,1996.

[6]KERSEY A D,DAVIS M A.Progress towards the development of optical fiber Bragg grating Instrumentation systems[C].SPIE 2839,USA,1996.

[7]萬里冰，張博明，王殿富，等.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測用光纖布拉格光柵應變傳感器的研究[J].激光雜志，2002，23（4）：47-48.

[8]萬里冰，張博明，王殿富，等.采用光纖傳感技術(shù)的土木結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測[J].建筑技術(shù)，2003，34（4）：273-274.

[9]曹長城.工程結(jié)構(gòu)基于FBG應變傳感器撓度及裂縫監(jiān)測的試驗研究[D].蘇州：蘇州科技學院，2012.

[10]LI H,REN L.Optical Fiber Bragg Sensing Technology of Structural Health Monitoring[M].Beijing:Chine Building Industry Press,2008，16-17.

[11]田石柱，趙雪峰，楊衛(wèi)東.布拉格光柵傳感器在土木工程中的應用[J].世界地震工程，2002，18（3）：146-151.

（責任編輯：秦中悅）

《蘇州科技學院學報（工程技術(shù)版）》更名公告

根據(jù)國家新聞出版廣電總局文件（新廣出審[2016]2531號）《關(guān)于同意〈蘇州科技學院學報（自然科學版）〉等3種期刊更名及變更主辦和出版單位的批復》，《蘇州科技學院學報（工程技術(shù)版）》（ISSN 1672-0679；CN32-1693/N）將于2017年1月正式更名為《蘇州科技大學學報（工程技術(shù)版）》，新編國際標準連續(xù)出版物編號為ISSN 2096-3270，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物編號為CN32-1873/N；主辦單位由原蘇州科技學院變更為蘇州科技大學；出版單位由原蘇州科技學院學報編輯部變更為蘇州科技大學學報編輯部。其他事項不變。歡迎廣大讀者踴躍投稿。我刊在線投稿網(wǎng)址：http://xbgc.usts.edu.cn。

特此公告。

蘇州科技大學學報編輯部

二〇一七年一月

Experimental study on the fabrication and measurement of long-gauge fiber bragg grating

YI Yeifei,TIAN Shizhu,QIU Weicheng

（School of Civil engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

In the field of civil engineering,the fiber Bragg grating (FBG)is still in the stage of development.In order to further advance the development of FBG and make it widely used in the engineering,this paper creatively researched the manufacturing and measuring principle of Long-Gauge fiber Bragg grating sensor.By doing experiment on the Long-Gauge fiber Bragg grating sensor,this paper studied and realized the strain measurement of Long-Gauge fiber Bragg grating (FBG)sensor[1]in the average strain mode.The test results show that the Long-Gauge fiber Bragg grating(FBG)sensor has good application value in the measurement of structure.

gratings;sensor;health monitoring;fabrication and measurement;T-beam bridge

TP212.9

A

2096-3270（2017）01-0007-06

2016－09-11

易飛飛（1990-），女，江蘇丹陽人，碩士研究生。

田石柱（1962-），男，教授，博士，從事結(jié)構(gòu)實驗方法與技術(shù)、結(jié)構(gòu)振動控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究，Email：tianshizhu@mail.usts.edu.cn。