长标距光纤布拉格光栅应变监测研究

陈晓军 丁克勤 陈 光 李 娜

（中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051；中国特种设备检测研究院，北京 100013）

1 引言

1978年加拿大通信研究中心的K.O.Hill[1]等人首次观察到掺锗光纤的光敏性并采用驻波干涉法制成了世界上第一个光纤光栅。光纤布拉格光栅(FBG)传感器是近年来快速发展起来的光纤无源器件之一，它的出现在光纤技术以及众多相关领域引起了一场新的技术革命。FBG传感器具有重量轻、体积小、无源操作、低功率、抗电磁干扰、高灵敏度和环境耐受力强等优点，能够解决常规检测技术难以胜任一些测量问题[2-4]。但是一些重大结构体积大、跨度大，要求传感器的传感尺度更大以满足结构监测目标。传统标距的FBG传感器不适合监测结构大标距范围的应变，利用长标距布拉格光纤光栅(FBG)传感器,能够得到测量结构宏应变，得到结构一定长度的单元平均应变, 所以不会因局部材料的劣化或者因裂缝引起监测失效，同时也可实现准分布式测量,从而获取结构足够的参数信息,以利于损伤识别[5-7]。在通常的光纤光栅测应变研究中多是是采用电阻应变计测得的应变作为参考应变，但是在电阻应变计粘贴使用过程中受粘贴工序影响比较大，比如粘贴用的胶水多少都会对测量结果造成影响使得测量结果不准确。为了克服电阻应变计的缺点本文采用高精度的测试仪器引伸计对拉伸中应变进行监测，并把测得应变作为标准值，并对实验获得的数据进行比较分析。

2 光纤布拉格光栅应变响应原理

根据模式耦合理论，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时产生模式耦合，满足布拉格条件的光会被反射回入射端，反射光的中心波长为

式中：Bλ为反射光中心波长；effn为FBG纤芯的有效折射率；Λ为光栅周期。光纤光栅中心波长Bλ取决于光栅周期Λ和有效折射率 effn 。应力和温度是两个能直接引起布拉格波长产生漂移的物理量。应力引起波长漂移，可以由下式给予描述：

式中：ΔΛ为光纤本身在应力作用下的弹性形变；effnΔ为光纤的弹光效应引起的折射率变化。在轴向应力作用下，光纤布拉格光栅反射中心波长相对偏移量与轴向应变之间的关系为

式中，eP为光纤的有效弹光系数，ε为光纤光栅的轴向应变，Kε为应变灵敏度可以通过实验标定[8-10]。

3 长短标距光纤光栅传感性能研究

通过监测钢板试件应变的变化研究光纤布拉格光栅传感器的传感性能，获得长标距和短标距光纤布拉格应变传感器所测得的应变数据，然后与测量手段比较成熟的高精度测试仪器引伸计所测得的应变数据进行比较，比较传感器的优越并。思路示意图如图1

图1 实验思路示意图Fig.1 Sketch of experiment ideas

实验采用ZwickZ250拉伸机，引伸计为拉伸机自带，光纤布拉格光栅解调仪为MOI-SM130，拉伸钢板试件（根据实验需要按照GB-T 228.1-2010使用45#钢设计），短标距FBG应变传感器标距为35mm，长标距FBG应变传感器标距为240mm。用3M scotch-weld MC100胶把长标距FBG应变传感器粘贴在试件一侧，然后在试件的另一侧对应位置粘贴短标距FBG应变传感器，确保光栅的轴线标准试件的轴线一致。加载后每隔2500N保存一次应变仪和光纤光栅解调仪的数据。实验装置如图2所示。

图2 实验装置照片Fig.2 Photo of experiment apparatus

长标距和短标距FBG应变感器测得的应变和引伸计测得应变比较如图3，蓝色曲线（S-FBG差值）表示短标距FBG应变传感器测得应变和引伸计测得应变差值。红色曲线（L-FBG差值）表示长标距FBG应变传感器测得应变和引伸计测得应变差值。从图中可以看出长标距应变传感器测得应变和引伸计测得应变更接近，最大差别不超过15个微应变，但是短标距应变传感器测得应变和引伸计测得应变相对差大最大相差33.62个微应变。短标距FBG应变传感器测量标距有限不能反映钢板整体应变变化造成测量误差相对较大。

图3 不同FBG传感器测得应变与引伸计测得应变差值Fig.3 The difference of between different FBG sensors and extensometer

以高精度的测试仪器引伸计测得应变作为标准值，用MATLAB线性拟合，拟合图如图4和图5。从拟合结果可以看出短标距FBG应变传感器和长标距FBG应变传感器反射中心波长和标距范围内的应变都具有很好的线性关系，短标距FBG拟合度为0.9992，长标距FBG拟合度为0.9997，相比较长标距FBG传感器拟合效果更好，反射波长和应变具有更好的相关性。上述试验表明长标距FBG应变传感器可以更准确测量传感标距内的应变。

图4 短标距FBG中心波长与应变的拟合曲线Fig.4 Fitting curve of The short-gage FBG center wavelength and strain

图5 长标距FBG中心波长与应变的拟合曲线Fig.5 Fitting curve of The long-gage FBG center wavelength and strain

4 结论

通过分别将长标距、短标距FBG应变传感器用于应变监测，并以引伸计测得应变作为标准值进行比较。与短标距FBG应变传感器相比长标距FBG应变传感器测得的应变引伸计测得应变具有更好的一致性，波长与应变具有更好的线性关系。对比分析试验结果表名,长标距FBG应变传感器能克服短标距FBG应变传感器测量标距有限不能反映结构整体应变变化，可以准确测量传感标距内的应变，适合监测结构大标距范围的应变测量，可实现对大型结构健康监测的目的。

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