光纤应变传感器在桥梁应变监测上的应用研究

潘晔峰

（上海安文桥梁检测技术有限公司，上海市 200437）

0 引言

现代桥梁工程建设规模越来越大，造价也越来越高，桥梁的管理和维护显得更为重要：既要确保桥梁安全正常运行和人民生命财产安全，又要物尽其用，充分提高桥梁的使用寿命。以往普遍采用电阻应变传感器对桥梁的关键部位进行应变监测。这类传感器虽然已有长期的应用历史，积累了较丰富的经验，但在实际应用中，还是存在一些较为严重的问题：容易受潮；易受周围电磁场的干扰；长距离、大信息量传输困难；存活率低，往往只能一次性使用。

为了克服传统的电阻应变传感器的缺点，应用光纤传感器进行桥梁监测和预警就成为一种很好的桥梁管理和维护的手段。光纤传感器具有比普通传感器更好的特性，比如光纤传感器有极高的监测灵敏度和很宽的动态范围，比较容易达到1微应变的分辨率；能做成复合传感器探测诸多物理量、化学量和生物量，并且可以复用于构阵或分布式监测；抗干扰强，电磁对它不起任何干扰作用；耐高温、抗腐蚀、防火防爆、绝缘安全性好，特别适用于一些特殊要求的环境中使用；光路没有接地等优点。这些优势是一些普通传感器无法比拟的，而使它具有无限的生命力。

本文主要采用光纤应变传感器，对在实验室内及桥梁上的结构应变进行实验测试。

1 光纤传感器应变测试理论分析

光纤传感器的应变测试是通过外界参量对光纤传感器长度的改变导致导波相位的变化进行调制来实现的。将光纤传感器沿着应变发生的方向粘贴或埋入，当基体与传感器之间的界面不发生脱界时，可以忽略光纤涂覆层的影响，则基体的形变完全传递给传感器。

为了对光波相位的变化进行调制，我们设计了新的光纤干涉仪，由一个2×2单模光纤耦合器和一个3×3单模光纤耦合器组成，如图1。

图1 光纤干涉系统原理图

在图1中，单模光纤DFB激光光源LD通过单模光纤将激光（相干光）注入到2×2单模光纤耦合器输入端。输出的两根光纤与3×3单模光纤耦合器输入端的一根光纤熔接相连，输出端的一根形成信号臂Ft和另一根形成参考臂Fo，Ft和Fo末端各有一组反射镜，组成Michelson(麦克尔逊)光纤干涉仪。相干光经过2×2单模光纤耦合器的分路进入信号臂和参考臂。来自干涉仪两臂的光波在3×3单模光纤耦合区内进行干涉，再以固定的相位差分离到3根光纤输出端输出。光电探测PD将光转换成电流，再由电流-电压转换成电压输出，其波形参见图2。

图2 光纤传感器的各点输出电压V与相位ф之关系的波形图

图2中的3个电压具有解析表达式，如下：

式（1）中，Ai、Bi(i=1、2、3…)是一个复杂的函数值。它与注入光纤干涉仪的光功率、实数场和正象场的耦合系数、3×3单模光纤耦合器的相位项、信号光纤和参考光纤以及回路光纤的光损耗系数、光电转换和电流-电压转换增益等都有关系。Φs为信号相位移，由信号臂光纤所受应变产生的光程变差来确定。为环境（主要是温度）相位移，由环境条件所形成的干涉仪光程差的变化量来确定。Φ0为初始相位。Φ1-2和Φ3-1分别为2路和3路与1路的相位差，由具体3×3单模光纤耦合器特性所决定，彼此是固定的三个相位差，并在2π相位内可以生成6个计数脉冲，其分辨率为：

式（2）中，λ为相干光波长，n为光纤纤芯折射率。其监测的结果——计数值N为：

式（3）中，L为应变敏感的光纤长度，X为微应变数，它既可能是一个常数，又可能是时间的函数X(t)。由式（3）可见，增加应变敏感光纤长度L时，其监测灵敏度呈线性增加。从而可以按照被测物体应变的大小随意确定灵敏光纤的长度。最终监测结果为：

通常通过对敏感光纤长度的选取，使其d0/L为整数或十进制的整数，以便读数N直接表示被测量X或以其倍率表示。

2 光纤传感器应变实验测试

2.1 光纤传感器的标定

在用光纤传感器进行实验测试时，由于存在涂覆层以及传感器与基体的相互作用程度、不均匀性等影响，通常需要选择与被标定传感器精度(精度达0.2με)要求相适应的仪器进行标定。本实验采用上海华东电子仪器厂的标准静态电阻应变仪(测试精度达0.2με)对其在静态标准 (无加速度、振动、冲击及室温20℃左右，标准大气压)下进行静态标定，如图3所示。

图3 悬臂梁标定照片

为了模拟桥梁的受力状态以检验光纤传感器的有效性，我们研制了一套测试实验装置——等悬臂梁。实验时我们将光纤传感器直接粘贴在悬臂梁上，同时粘贴标准电阻应变片进行对比。采用标准砝码对粘贴好传感器的悬臂梁在0～4 kg范围内进行加载和卸载。分别通过光纤应变传感系统和电阻应变测试系统得到应变。光纤传感测试系统由我们自己研发的光电转换器、信号传送器及计算机等组成。激光光源发出的光经耦合器入射到光纤应变传感器上，在砝码的作用下，悬臂梁产生变形，光纤应变传感器的干涉腔发生变化，从而导致被光纤应变传感器反射回来的负载光的相位改变，改变相位后的光再经耦合器导入光电探测器，光信号转化为电信号后，经过电路分析，计算出经过干涉腔的相位改变量的大小从而可确定出应变的大小。标准电阻应变仪的电阻信号由YD-21型应变测试仪得到。

对标准板状拉伸试样进行反复加载卸载测试，对测试数据进行处理。根据数据处理结果，所得标定曲线如图4所示。

图4 光纤应变传感器标定图

从标定曲线的斜率可知，光纤应变传感器与标准电阻应变仪对于应变测量的对应系数关系为1/0.909 1，为1.10。即光纤传感器的1个微应变单位对应标准电阻应变仪的1.10个微应变，因此在测试时要在光纤传感器测试结果中取修正系数1.10。

2.2 光纤传感器实桥测试

同样方法，我们把光纤应变传感器和电阻应变片粘贴在同一实桥钢梁下，检测桥梁在实际车载情况下两者的测试情况如图5～图7。

图5 光纤应变传感器

图6 电阻应变片传感器

光纤应变传感器和电阻应变片传感器在同一时刻采集比较可见两者的动态响应非常吻合。

图7 实桥测试照片

3 结论

理论分析和试验研究表明，本文所设计的用于应变监测的新型光纤传感系统具有结构简单、稳定性和线性度好，信噪比高、灵敏度高、不受电磁和雷电干扰、不怕腐蚀、寿命长等优良特性，其测试精度达到1微应变，可满足土木工程结构健康监测的要求，特别为桥梁的应变监测提供了新方法。

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