光纤布拉格光栅（FBG）宏应变传感器的制作及测量实验研究

易飞飞，田石柱，邱伟宸

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011）

光纤布拉格光栅（FBG）宏应变传感器的制作及测量实验研究

易飞飞，田石柱，邱伟宸

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011）

在土木工程领域中，光纤布拉格光栅（FBG）还处于发展阶段，为了进一步推进光纤布拉格光栅（FBG）的发展，使其能够广泛应用于工程中，研究了FBG宏应变的制作及测量原理。以光纤布拉格光栅宏应变传感器为实验对象，研究并实现了光纤布拉格光栅（FBG）传感器在平均应变模式下的应变测量。试验结果表明，光纤布拉格光栅宏应变传感器在结构测量中具有较好的应用价值。

光栅；传感器；健康监测；等强度梁；T型梁桥

自1978年含锗光纤的光敏性被发现以及1989年紫外写入技术发明以来[1-3],光纤光栅受到了世界各国研究机构的广泛重视[4-5]。其中通讯方面的应用也极大地推动了光纤光栅技术的发展[6-7]。因为光纤传感器具有的小巧、柔软、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，以及其具有的对结构服役期间的工作状态进行监测、安全评估等方面的潜力，使其研究和应用逐渐扩展到土木工程结构健康监测领域[8-9]。但在长期使用过程中发现，光纤光栅传感器在测量过程也有它的不足，通常它只能被用来测量结构的点应变。因此专家们提出希望在结构健康监测的应用中实现宏应变的测量。

1 基本原理

FBG传感器的工作原理是基于光纤布拉格波长漂移理论。当可调谐光源发出的光入射到含有光栅的光纤中时，波长与光栅周期一致的光将被反射，其它波长的光将不受影响地通过光栅。由于光栅的周期与应变和温度有关，因此通过分析反射光的波长，就可以达到测量这两个物理量的目的。对于其它被测参量，则需要采用其它装置或媒介将其转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化实现测量。通过建立并标定光纤光栅应变或温度响应与被测参量变化之间的关系，便可以由光纤光栅布拉格波长的变化，测量出被测量的变化[10]。

目前，FBG传感器的传感原理都是基于对布拉格光栅中心波长的测量，通过对外界扰动引起漂移量的测量，得到应力与温度的测量值。

式中，λB为布拉格波长；Λ为光栅的周期；neff为纤芯的有效折射率

当传感器光栅周围的温度、应力或其它待测量发生变化时，可能会引起光纤光栅发生改变，从而导致反射光的中心波长值发生漂移[9]，布拉格波长变化与应变、温度的关系可以近似的表示为

由上式可知对于分辨率1 pm的光谱仪，当布拉格波长为130 nm时，温度不变的情况下，应变1με的外界干扰将产生1 pm波长的漂移。

2 试验设备与装置

2.1 宏应变传感的制作

布拉格光栅传感器是一种功能型的光纤传感器，即由光纤的一部分作为传感区，将之加工成光纤光栅，使光纤本身具有传感能力[11]。光纤一般直径为15～50 μm，易断裂，所以将裸光纤含有光栅的部分封装在一定长度的塑料护套中，在将裸光纤放入塑料护套（如图1中的2号）时尽量使含有光栅的部分停留在塑料护套中间，防止在制作过程中光栅部分滑出塑料护套。塑料护套可以让光纤承受一定的弯矩而不至于断裂,需要注意的是，光纤是脆性材料，在制作过程中不应该让其受到剪力。再将伸出塑料护套的光纤两端用热熔管（如图1中的3号）固定住，使光纤能在塑料护套中轻微转动但不能发生大幅度滑动，以免将含有光栅的部分暴露在塑料护套外部。将热熔管一小部分放入塑料护套中，并用绝缘胶带做轻微固定。这样做的作用体现在两个方面：

（1）可以固定住裸光纤（如图1中的4号），使裸光纤在塑料护套中的位置得到基本固定，裸光纤不会在塑料护套有大幅度滑动。

（2）构件在受力的时候要保证光纤可以在塑料护套中轻微活动。再将热熔管另一端的裸光纤留下相对合适的长度与光纤跳线连接（如图1中的5号）。将一根完整的光纤跳线剪成两根，用剥纤钳将跳线的外壳剥去合适的长度，露出里面的光纤。应该要注意的是，在将跳线中的光纤与之前的光纤连接前，应该在跳线上套一段相对比较长的透明塑料管（如图1中的1号），保证能包裹住全部裸露光纤，还应留有合适长度包裹住跳线与塑料护套。使用熔接机将塑胶套中延伸出的裸光纤与光纤跳线连接，跳线另一端可以连接电脑，经过解调，就可以测出中心波长。

图 1 宏应变传感器制作材料图

2.2 试验方案与试验

根据公式（2）可知，当外界应变发生变化时，FBG的中心波长将发生漂移，因此，利用获得FBG中心波长的漂移量便能得到ΔλB与ε之间的系数，从而实现应变传感。

2.2.1 ΔλB与ε之间的系数 利用FBG中心波长的漂移量可以得出ΔλB与ε之间的系数

式中，pe为有效弹光系数；对于掺锗石英光纤，p11=0.121，p12=0.27，v=0.17，neff=1.46；因此，pe≈0.22。故

由于光纤波长长度基本在1 510～1 580 nm之间，所以每个微应变所引起的波长漂移为1.2 μm。由公式（5）可以得出公式 （6）。

2.3 FBG宏应变传感器的测量试验

该应变传感特性研究所采用的实验装置是基于图2，把光栅用502胶粘贴在等强度悬臂梁上，然后再使用解调仪器解调FBG波长。在同一个等强度梁上，同时粘贴光纤光栅点应变和宏应变，通过比较点应变和宏应变测量出的数据，可以验证宏应变在试验中的可行性。

2.3.1 测读原则 每加一级荷载（荷载变量为0.5 kg），待荷载值稳定之后再读光纤布拉格宏应变和点应变的中心波长的读数。试验中要考虑环境温度变化对光纤布拉格光栅应变的影响。因此采用温度补偿技术，以消除温度的影响。试验过程中，将一根裸光纤布拉格光栅放置在等强度梁附近，由于其并不受力，布拉格光栅波长的移动只与温度有关，假设实验室温度的温度变化很小，这样，在其它光纤布拉格光栅的中心波长移动中减去温度波动引起的波长变化，可以得到结构受力的实际应变变化值。等强度梁附近放置的裸光纤光栅只测量实验室温度的变化，经测量得出试验过程中温度变化幅度最大值0.2℃（见图3），在这样的室温环境下，温度对布拉格波长移动的影响很小，可以认为布拉格波长移动只与测点的应变变化有关。

图 2 宏应变传感器粘贴在等强度梁上实验图

图 3 在实验中温度变化图

2.3.2 试验数据分析 表1是两次试验中宏应变和点应变中心波长值，可计算出各传感器中心波长值的变化量，且各传感器的应变灵敏度系数均为已知，因此可计算出试验过程中各传感器所测应变值，结果见表2。

表1 FBG宏应变传感器测量的加载与卸载中心波长值

表2 FBG宏应变传感器加载测量与卸载测量应变值

从表1与表2可以看出，在加载与卸载试验中，宏应变值与点应变值变化较稳定，表明它有较好的适用性，可以作为结构健康监测的有效手段。通过比较得出宏应变值接近点应变值的两倍。这是因为等强度梁的厚度较薄，所以必须考虑宏应变传感器的封装层厚度。

如图4所示，等强度梁厚度为3 mm，点应变传感器粘贴在等强度梁上表面，点应变传感器到等强度梁中性轴的距离为1.5 mm，宏应变传感器到等强度梁中性轴的位置约为3 mm。由式（7）可知应变与传感器到等强度梁中性层厚度有关，在试验中宏应变到等强度梁中性轴的距离约为点应变到等强度梁中性轴距离的2倍，而试验测得的宏应变值接近于点应变值的两倍。即在实验数据中宏应变与点应变同样满足常数倍数关系。所以试验表明制作的宏应变传感器有较好的精度。

图4 宏应变传感器粘贴在等强度梁上示意简图

式中，y为横截面上的点距离中性轴的距离；ρ为曲率半径。

3 T形简支梁模型监测试验

3.1 试验构件

试验构件为一混凝土T型简支梁，试验计算长度4 m，构件实际长度4.6 m，图5和图6为试验图。

图5 FBG宏应变传感器检测T型梁实验图

图6 FBG宏应变传感器检测T型梁实验简图

该试验原理基于平行拓扑理论，由实验测量出每个单元上部及下部的宏应变传感器的中心波长，从而实现中心波长向曲率的转换。构件采取在跨中4个单元上布设2 m分配梁以油压千斤顶进行加载。加载过程以4 kN为一级，本项监测中选取弹性范围内的0～20 kN共5级荷载进行分析。每级荷载加载后后进行数据采集，试验示意图如图6所示。

3.2 试验结果与分析

测试数据见表3与表4。根据上表可得出各宏应变传感器中心波长的变化量，由于光纤光栅的应变灵敏度系数均为1.2pm/με（也写做με/pm，反映的是应变与波长变化的关系），因此可计算出各单元的宏应变，见表5与表6。

表3 FBG宏应变测量的中心波长值

表4 FBG点应变测量的中心波长值

表5 FBG宏应变测量出的应变值

表6 FBG点应变测量出的应变值

4 结论

为了应用小标距传感器实现对大标距传感器内的平均应变的测量，提出大标距FBG应变传感器制作方法，并将它应用到实验中。由实验分析可得到下列结论：

（1）提出的大标距FBG应变传感器制作方法，经实验测试应用具有良好的实用性；

（2）该方案制作的宏应变传感器技术难度较低，材料简单，硬件要求亦不高；

（3）通过等强度梁试验验证了由此制作的光纤布拉格光栅宏应变传感器有较好的稳定性，基于点应变传感器测量出的应变值与基于宏应变测量出的应变值吻合度较高；

（4）通过对比分析，基于点应变传感器测量出的应变值与基于宏应变测量出的应变值，可以得出大标距FBG应变传感器在标距内具有较高的精度，准确测量构件大标距内的平均应变。

光纤布拉格光栅（FBG）宏应变传感器能够实际应用到工程中。

[1]田石柱，曹长城，王大鹏.光纤光栅传感器监测混凝土简支梁裂缝的实验研究[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]万里冰，张博明，王殿富，等.结构健康监测用光纤布拉格光栅应变传感器的研究[J].激光杂志，2002，23（4）：47-48.

[8]万里冰，张博明，王殿富，等.采用光纤传感技术的土木结构应变监测[J].建筑技术，2003，34（4）：273-274.

[9]曹长城.工程结构基于FBG应变传感器挠度及裂缝监测的试验研究[D].苏州：苏州科技学院，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，赵雪峰，杨卫东.布拉格光栅传感器在土木工程中的应用[J].世界地震工程，2002，18（3）：146-151.

（责任编辑：秦中悦）

《苏州科技学院学报（工程技术版）》更名公告

根据国家新闻出版广电总局文件（新广出审[2016]2531号）《关于同意〈苏州科技学院学报（自然科学版）〉等3种期刊更名及变更主办和出版单位的批复》，《苏州科技学院学报（工程技术版）》（ISSN 1672-0679；CN32-1693/N）将于2017年1月正式更名为《苏州科技大学学报（工程技术版）》，新编国际标准连续出版物编号为ISSN 2096-3270，国内统一连续出版物编号为CN32-1873/N；主办单位由原苏州科技学院变更为苏州科技大学；出版单位由原苏州科技学院学报编辑部变更为苏州科技大学学报编辑部。其他事项不变。欢迎广大读者踊跃投稿。我刊在线投稿网址：http://xbgc.usts.edu.cn。

特此公告。

苏州科技大学学报编辑部

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

易飞飞（1990-），女，江苏丹阳人，硕士研究生。

田石柱（1962-），男，教授，博士，从事结构实验方法与技术、结构振动控制、结构健康监测研究，Email：tianshizhu@mail.usts.edu.cn。