光纖光柵傳感器在土木工程中的應用和發展趨勢研究

嚴鐘來

摘 要：近十年來，光纖光柵傳感技術車成為光纖傳感領域發展最為迅速的技術之一，不僅是在系統本身有了長足發展，在應用領域方面也有了較大發展。近年來，國內將光纖光柵傳感技術應用于土木工程領域，并取得了一定的進步。文章通過論述光纖光柵傳感原理和光纖光柵傳感器在土木工程中的應用，對光纖光柵傳感技術未來發展趨勢提出了展望。

關鍵詞：光纖光柵；傳感器；土木工程；應用

光纖光柵傳感器作為一種新發展起來的傳感技術，不僅具有光纖傳感器的體積小、質量輕、耐腐蝕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強、維護費用低等優點，還具有優于其他光纖傳感器的地方，如：測量范圍大、精度高、抗干擾能力強、穩定性好等優點。將多個光纖光柵，嵌入到一根光纖上，將光纖粘于被測結構上，可以實現同一根光纖的分布式測量，并同時得到幾個測量目標的信息。在惡劣環境中使用光纖光柵傳感器，能有效避免傳統光纖傳感器測量模糊等問題。目前，光纖光柵傳感器已經應用于各種大型土木工程中，如：橋梁、大壩、大型建筑等。

1 光纖光柵的傳感原理

1.1 光纖光柵的原理

光纖材料具有光敏性，外界光子入射時與纖芯相互作用，并引起纖芯的折射率發生永久性變化。光纖光柵就是利用這種特性，射入紫外激光，使光纖纖芯內形成濾光器或反射鏡，也就是空間相位光柵（圖1所示為光纖光柵傳感原理）。其射入的波長必須滿足λB=2neffA。其中λB是光柵布拉格波長，neff是纖芯有效折射率，A是光柵周期。由上述公式，我們可以看出，光纖光柵布拉格波長（即反射中心波長）與反向耦合模的有效折射率neff和光柵周期A有關，當外界作用改變這兩個參量時，會引起光纖光柵中心波長的改變。（圖2為光纖光柵結構及光通過光柵時的能量分配示意圖）

1.2 光柵的軸向應變和溫度改變

光柵發生軸向應變時，由于彈性變形，光柵周期A將發生改變，并且受光彈效應的影響，纖芯的折射率neff發生想要的變化，進而引起中心波長λB的變化。實驗表明，光柵中心波長的改變與光柵應變二者之間成良好的線性關系。

光柵發生溫度改變時，熱膨脹和熱光效應會引起纖芯折射率neff改變，進而引起中心波長λB的變化。實驗表明，光柵中心波長的改變與光柵溫度的改變二者之間同樣呈良好的線性關系。

光柵中心波長的改變量受周期和折射率的影響，要測量λB的變化情況，可通過計算軸向應變和溫度改變得出。但在某些情況下，需要將軸向應變和溫度改變兩個物理量區分開，以便同時或分開測量兩個參數。

2 光纖光柵傳感器在土木工程中的應用

2.1 應變傳感器

與傳統傳感器相同，光纖光柵傳感器可放置于被測物表面，進行應變監測。但不同的是，光纖光柵傳感器還可以測量被測物內部物理量。我國學者通過光纖光柵變量傳感器的預先埋入，實現對混凝土建筑結構建設過程中內部損傷應變的實時測量，并根據荷載—應變關系曲線，確定建筑結構內部在建設過程中的損傷形成和擴展情況。

光纖光柵傳感器是一種較為精密的儀器，而土木工程中混凝土結構施工是粗放型的，二者互相不適應。因此，傳感器的布設問題就成為了光纖光柵應變傳感器在土木工程中應用的重難點。在實踐過程中，施工人員已經摸索出一套行之有效的辦法：第一，置于混凝土中。在光纖光柵傳感器的外層，套上金屬導管，一起放置于混凝土結構中。并在混凝土凝固前，將金屬導管取出，使傳感器與混凝土凝結在一起。第二，粘貼于原材料中。由于鋼筋是混凝土結構的重要原材料，且附件的混凝土受力狀態可直接表現在鋼筋的應力和應變中，因此，可將傳感器置于鋼筋中：將傳感器直接粘貼于鋼筋上；或在鋼筋表面開一個小凹槽，將光柵的裸纖芯部分嵌進凹槽；或將光柵埋入復合筋中。第三，埋入到預制構件中。將傳感器埋入小型預制構件中，然后將小型預制構件作為大型構件的一部分埋入。第四，采用封裝技術。選擇與混凝土膨脹系數較一致的金屬導管，并將傳感器封裝到導管內，外部荷載將通過金屬導管傳遞到應變傳感器上。

2.2 溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器是將光纖光柵的傳感部分和與其材料溫度系數相近的金屬固定在一起。但在預埋嵌入式溫度傳感器時必須注意，為避免傳感器與結構物一起受力，不能將傳感器固定在結構物上。因此，可以將光纖光柵套裝在鋼管中，并使用環氧樹脂將鋼管與光纖光柵的一端進行粘結，并封閉套管的一端。如此，溫度傳感器一端被固定，另一端是自由的。

雖然光纖光柵對軸向應變和溫度改變很明感，但限制其應用的也正是這種交叉敏感效應。基體材料受外力、溫度的影響，和傳感器本身受溫度的影響，都成為影響光纖中心波長的變化的因素。因此，在測量時，必須除去溫度對參數的影響，才能夠有效得出外力對中心波長變化的影響。國內外學者針對這一課題提出了幾種解決方法。第一，設置參考光柵。在測量的光纖光柵傳感器周圍單獨放置一個被隔離的傳感器作為參考光柵，參考光柵可以和傳感器放置在同一光纖之上。第二，采用兩個不同波長的（下轉第372頁）光纖光柵傳感器對同一物理量進行測量，所得到的應變響應也是不同的。

2.3 傾角傳感器

2000年，Ferdinan等人利用光纖光柵研制出第一個光纖光柵傾角傳感器，解決了市面上傾角儀精確度較差、受溫度影響較大的問題，并實現了兩個傳感器之間的溫度自補償。2004年，Yang在擺錘的等強度梁上，對稱地貼放兩根光纖光柵，通過測量等強度梁的應變，從而計算傾斜角度。

2.4 腐蝕傳感器

腐蝕傳感器是在光纖Bragg光柵傳感器上涂一層金屬，并進行預應變的處理。當發生腐蝕時，傳感器表面的金屬層被腐蝕掉，傳感器所感受到的應力將減弱，進而指示腐蝕發生的程度。研究表明：短周期的Bragg光柵傳感器在對溫度、應力和其他環境參數進行測量時，可以很好得得出有效參數。而長周期的Bragg光柵傳感器，由于腐蝕作用，金屬層的脫落會導致光纖直徑變小，進而影響到光纖波長和折射率的變化。

3 光纖光柵傳感器在土木工程中應用和發展趨勢的思考

光纖光柵傳感器相比傳統機電類傳感器，在很多性能方面更精密、更準確、更可靠、更穩定。因此，光纖光柵傳感器的應用，在土木工程領域倍受青睞。但是傳感信號的調解成為限制光纖光柵傳感器大量應用的主要障礙。在實際應用中，要從多方面著手研究解決當前存在的困難，從多角度發展光纖光柵傳感技術。

第一，光纖光柵解調方法，已經研究或正在研究的很多；但其產品很少，且通常價格較高；要進一步研制出可測更多參數和變量的傳感器。

第二，傳感器的光源帶寬有限，但實際應用中要求光柵的反射譜必須分開、不能重疊，嚴重限制可復用光柵數目。

第三，進一步加強對波長位移監測技術的研究，進而促進光纖光柵傳感技術的發展。

第四，思考如何實現進一步提高測量的范圍、準確性和可靠性，如何實現快速、實時的靜態、動態測量，如何提高光纖光柵的壽命封裝技術水平，如何提高。

第五，在監測時，要根據波長變化和實際環境情況，快速分辨出引起變化的原因，是應力還是溫度。

4 結語

雖然我國相對于美國、英國、德國，對于新型光纖光柵傳感器的研究較晚，但目前已經取得了較大的發展。光纖光柵傳感器由于尺寸小、耐腐蝕、測量范圍大、精度高等優點，被廣泛應用于各類土木工程結構中。且隨著調節技術和成熟和傳感器的進一步發展，光纖光柵技術在土木工程領域中的應用將展現出巨大的活力。

參考文獻

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