结构健康监测光纤光栅位移计的研制

蒋燕琴

摘 要：结构健康监测对保证结构的长期安全运行具有重要的意义，而位移监测是测量技术中最基本的测量项目之一，是多种物理量测量的基础（如：振动、压力、应变、加速度等）。光纤光栅是目前在智能材料系统与结构健康监测研究与应用最为广泛的敏感材料之一，具有分布式绝对测量、抗腐蚀能力强等优点。本文基于光纤光栅的应变测量原理，设计开发出一种新颖的位移传感装置，详细推导和试验验证了该装置的传感特性。研究结果表明，该装置具有温度自补偿、线性度和重复性好、精度较高等优点，具有良好的应用前景。

关键词：结构健康监测；位移；光纤光栅；温度自补偿

ABSTRACT：Structural Health Monitoring is very important to ensure the safe of the structure in a long period. However the displacement monitoring is one of the most basic measuring items and it is the foundation of the measure of other physics quantities (such as: vibration、pressure、strain、acceleration and so on). Fiber Bragg grating(FBG) with advantages of quasi—distribution absolute measurement，high corrosion resistance，etc，has become one of the most popular sensing element for intelligent materials system and structural health monitoring. In this paper，a novel displacement cell based on FBG was developed．Its sensing properties was theoretically analyzed and tested by experiments．The research results show that the FBG-based displacement cell has good 1inearity，repetition，immunity of temperature changes．Such kind of FBG-based displacement cell shows great prospect for practical applications．

Keyword: structural health monitoring；displacement；Fiber Bragg grating； temperatureselfcompensation

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文献标识码： A 文章编号：

1. 引 言

结构健康监测是土木工程学重要研究领域，其发展对认识结构的破坏机理，识别和修正计算模型，最终提高结构防灾减灾能力具有重要意义[1]。而位移检测是测量技术中最基本的测量项目之一[2]，是多种物理量测量的基础（如：振动、压力、应变、加速度、流量等）。位移传感器按工作原理的不同可分为电阻式、振弦式、电感式和电容式等。它们有一个共同的缺点：数据不能长距离传输，耐久性较差。因此不适合于工程现场应用。光纤光栅是近10 年来出现的一种新型智能传感元件，具有抗潮、抗腐蚀能力强，耐久性好，结构简单，可以长距离传输，可以组成分布式传感网络等优点[3]。

本文基于光纤光栅的传感原理，并考虑到实际位移监测时必须排除温度的干扰，设计开发出一种带有温度自补偿的光纤光栅位移计，并进行了详细的原理推证和多种性能试验。

2. 光纤光栅位移计的结构设计

为了符合结构长期监测的要求，传感器结构应该具有：1）便于安装使用；2）能够温度自补偿；3）可靠性好；4）耐久性强等特点。根据上述要求，我们设计的光纤光栅位移计结构如图1所示。

1尾纤12尾纤23垫块4光纤光栅15光纤光栅26等强度梁7支杆

8楔块9探杆10压缩弹簧11连接杆

图1 光纤光栅位移计结构示意图

带有温度自补偿的光纤光栅位移计的组成部分主要包括：1）测量探杆：感知外界位移，是位移计的输入端；2）楔块：将位移量转换为等强度梁的挠度；3）等强度梁：位移计的核心组件，两个光纤光栅分别粘贴于等强度梁的上下表面，感受探杆位移引起的等强度梁的应变变化；4）压缩弹簧：给楔块提供恢复力。

3. 光纤光栅位移计的工作原理

3.1 光纤光栅波长与应变、温度间的关系

由Bragg 光栅的原理可知，它是温度和应变交叉敏感的元件。本设计为了消除温度对光栅工作的的影响，采用两个光纤光栅，因为两个光纤光栅彼此之间非常接近，我们可以认为两个光纤光栅的工作环境温度是相同的；而根据等强度梁的结构形式可以知道，等强度梁上下表面的应变数值相等、方向相反。光纤光栅在等强度梁上的布设图如下：

图2 等强度梁上光栅布设形式图

由Bragg光栅原理知光纤光栅位移计的两个光栅的表达式如下[4]：

(1)

(2)

其中 ，。

式中： —— 等强度梁的热膨胀系数；

—— 掺锗光纤的光热系数；

——为光纤光栅光弹系数。

—— 环境温度变化量。

因为；

用式（1）减去式（2），得：

(3)

又因为本次设计选用同一批光纤光栅，它们的传感特性一致，即，。则式（3）可以转换为：

(4)

3.2 等强度梁挠度与应变关系

设梁的固定端宽度为，梁长为，梁厚为，梁的弹性模量为，梁自由端挠度和梁自由端所承受的力的关系为：

(5)

等强度梁各点应变值和梁自由端所承受的力的关系为

(6)

将式（6）代入式（5）中得：

(7)

3.3 位移传感理论公式

如图1位移计原理图，假设测量探杆有位移量，则探杆推动楔块产生水平位移为，等强度梁在楔块作用力下的挠度为，则有如下关系式：

(8)

式中 ——楔块的倾斜角；

将式(7)代入(8)得出：

(9)

由式（4）和（9）可得出位移与波长间关系式

(10)

令，则可得出

(11)

其中 ——位移计灵敏度系数。

式(11)便是位移传感的理论公式，它是光纤布拉格光栅位移计研究与开发的基础。

4试验和分析

4.1光纤光栅位移计的制作

由于位移计的工作环境十分恶劣，因此需要选择适当的材料。这里探杆作为传感器的传力构件，是外力向传感器内部传递的途径。为了传力的准确性，要求保证其变形足够小，因此探杆可采用高强度的合金钢；等强度梁要选用弹性范围宽、疲劳性能好的合金钢，本文选用了不锈钢。双光栅选用J133胶粘贴到等强度梁上，具体加工如下图3所示。

图3 光纤光栅位移计实物图

4.2标定试验

本试验利用光纤光栅解调仪和游标卡尺标定位移计的传感特性。光纤光栅中心波长的测量采用美国Micron Optics公司生产的si-720型光纤光栅解调仪，该仪器测量波长的精度为1pm，扫描范围为1510~1590nm，扫描频率为5Hz。游标卡尺采用哈尔滨量具刃具厂生产的，量程为0～100mm，精度为0.02mm。试验原理如图4。

试验进行三个循环，间隔5mm记录一次波长值，图5为位移计在室温情况下测得的中心波长变化量与位移间的关系，从图中可以看出该位移计有很好的线性度和重复性，拟合曲线可知该传感器的灵敏度系数为mm。

图4 试验原理图

图5 波长变化和位移关系 图6 不同温度下传感器测试结果对比

4.3温度自补偿实验

为了验证位移计在使用过程中不受到温度的影响，我们在三个不同的温度环境下，重复4.1所述试验。随机选用的温度分别是15℃，25℃，35℃，测试结果如图6所示。从图6可知不同温度下的位移和波长变化较为吻合，说明该传感器在使用过程中不受到温度的影响，具有温度自补偿特性。

4. 结论

本文根据光纤光栅的传感原理，研制出一种新型光纤光栅位移计，详细推导和试验验证了该传感器的传感特性。研究表明：该传感器具有很好的线性度和重复性特性；具有温度自补偿功能；能用于结构的位移监测，具有良好的应用前景。

参考文献：

欧进萍. 重大工程结构的累积损伤与安全度评定[R] . 走向21 世纪的中国力学——中国科协第9 次“青年科学家论坛”报告文集,北京:清华大学出版社,1996. 179～189.

王耀军. 光机电(磁)新原理位移传感器研究.浙江大学硕士论文，2004，1～3

廖延彪. 光纤光学[M]. 北京：清华大学出版社，2000

周智. 土木工程结构光纤光栅智能传感元件及其监测系统. 哈尔滨工业大学博士论文，2003，38～40

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。