齒輪傳動型光纖彎曲損耗位移傳感器及其實驗研究*

李亞明,楊 杰*,程 琳,馬鈺明

(1.陜西省西北旱區生態水利工程省部共建國家重點實驗室培育基地,西安 710048;2.西安理工大學水利水電學院,西安 710048)

位移是結構健康監測領域最為重要的監測物理量之一。位移傳感器在土木工程和水利水電工程等重大結構中的裂縫和滑動等位移量監測中起著重要的作用。過大的變形會引起結構的破壞或失穩,影響結構的正常運用。對于水利工程結構,大變形還可能引起滲漏問題。研究通過埋設監測儀器及時發現并消除過大變形引起的安全隱患,以有效地減少或避免災難和經濟損失有重要意義。傳統的電測量位移傳感器由于其抗電磁干擾能力弱,在搬運、率定、安裝埋設及混凝土振搗過程中易損壞,且測量誤差大等局限性,難以實現長期、穩定和遠距離的測量,而光纖傳感器具有頻帶寬、抗干擾能力強、質量輕、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好及安全可靠等優點,在國內外被大量學者進行了廣泛的研究[1-6]。

光纖傳感器按光波在光纖中被調制的原理可以分為:光強調制型、相位調制型、偏振態調制型和波長調制型等幾種形式[7]。其中基于光纖彎曲損耗原理的光纖位移傳感器屬于光強調制型光纖傳感器。光纖彎曲損耗是光纖的彎曲半徑小于光纖的臨界彎曲半徑引起的附加損耗[8]。在早些年,隨著光纖彎曲損耗被學者們所認識,國外學者Wolff和Miesseler[9]把多模光纖埋設在橋面板與橋墩之間的彈性設備中,由光纖的彎曲損耗來確定其撓度和橋梁的變形量。在國內,李川等[10]提出了一種光纖形變片,即通過測量粘貼于光纖形變片上的光纖宏彎曲損耗來獲取測量點的應變或位移量。近些年,羅志會等[11]采用線型和螺旋型光纖傳感技術相結合的方法,研制出了大量程、高定位精度的光纖位移傳感器,該傳感器非常適用于滑坡體深部變形的安全監測,水平位移監測的動態范圍擴大到17 mm。包騰飛等[12]提出了一種新型大量程裂縫光纖傳感器,并通過實驗驗證了該傳感器可以對混凝土結構上大裂縫的展開情況進行持續性的監測,且該傳感器的理論量程達到了26 mm。在上述研究中,光纖彎曲損耗與光纖彎曲半徑呈復雜的非線性關系,因此無論是結構的應變、裂縫、變形或位移量與光纖彎曲損耗的之間都呈復雜的非線性關系,這不利于光纖彎曲損耗傳感器的實際應用。

針對光纖彎曲損耗位移傳感器存在的不足,為了增加該傳感器的實用性,本文分析傳統光纖彎曲損耗傳感原理,提出了采用兩個光纖纏繞軸固定光纖彎曲直徑不變的方式,設計了一種齒輪傳動型光纖彎曲損耗位移傳感器,通過理論證明了該傳感器的可行性,并通過實驗測試了該傳感器的各項技術指標,得到一種解調設備經濟線性度高的新型光纖彎曲損耗位移傳感器。

圖1 傳感器結構示意圖

1 傳感器結構與測量原理

1.1 傳感器的結構設計

本傳感器的整體結構如圖1所示,其主要部件包括基座、光纖纏繞軸、齒輪、齒條、軸承、拉桿和固定螺帽等,各主要部件的具體連接形式如下:①光纖纏繞軸從上到下依次套接有上軸承、齒輪和下軸承,且兩齒輪相互齒合;②齒條E與齒輪C齒合,齒條E的上部固接有滑塊,滑塊通過基座上的通孔可以左右滑動;③齒條E的一端固接有拉桿,拉桿通過基座的通孔伸出傳感器,其作用是將外界位移傳遞給齒輪C,驅使光纖纏繞軸A和B發生轉動;④拉桿的末端固接有固定螺帽,以便拉桿和被測物體固定;⑤G652D光纖按S型纏繞在光纖纏繞軸A和B上,并分別從兩個上軸承上的引纖孔穿出,使用光纖熔接機在光纖兩端熔接有光纖接頭;⑥光纖纏繞軸A直徑2R1=34 mm,光纖纏繞軸B直徑2R2=10 mm;齒輪C的齒數z1=51個,齒輪D的齒數z2=15個,各齒輪以及齒條的模數m=1。⑦傳感器的信號發射端采用工作波長為1 550 nm的激光光源,信號接收端配套相應波長的光功率計。

傳感器的照片如圖2所示,圖2(a)為傳感器封裝后的照片,圖2(b)為傳感器內部光纖纏繞方式的照片。

圖2 傳感器照片

1.2 傳感器測量原理

當光纖彎曲后,就會發生沿光纖彎曲半徑方向的能量輻射,原有光波導中的傳導模將變為輻射模,從而引起彎曲損耗。對于階躍單模光纖,單位長度上的彎曲損耗可以表示為[13-14]:

ac=AcR-1/2exp(-UR)

(1)

式中:R為光纖宏彎曲半徑,Ac和U是與光纖種類以及光源工作狀態相關的量,具體為:

Ac≈ηΔ1/4λ-1/2(λ/λc)3/2

(2)

U≈δD3/2/λ(2.748-0.996λc/λ)3

(3)

式中:λ為工作波長,λc為截止波長,Δ=(n1-n2)/n2為光纖芯與包層相對折射率差,n1為纖芯折射率,n2為包層折射率,η和δ是與光纖類型、光源工作波長有關的常數。

針對本傳感器所采用的激光光源及傳感光纖,經過大量實驗數據擬合,如圖3所示,得到了G652D光纖在光源工作波長為1 550 nm時單位長度彎曲損耗的經驗公式為:

ac1550=38.151 9R-0.5e-0.677 047R

(4)

式中:R為光纖彎曲半徑,單位為mm;計算的單位長度宏彎曲損耗的單位為dB/mm。

圖3 單位長度光損耗與光纖彎曲直徑關系

圖4 位移傳遞原理

(5)

由式(5)可知,傳感器在監測到位移增大Δl時,傳感光纖會均勻地從光纖纏繞A上旋轉到光纖纏繞軸B上2Δl/3的長度,反之,傳感器在監測到位移減小Δl時,傳感光纖會均勻地從光纖纏繞B上旋轉到光纖纏繞軸A上2Δl/3的長度,且在整個過程中,傳感光纖彎曲時的受力情況保持不變。

本傳感器的測量方法如圖5所示,在傳感器安裝標定以后,記下初始光功率計讀數I0。變化Δl的位移時,將引起傳感光纖發生2Δl/3長度的變化,此時光功率計讀數由下式表示:

I1=I0-ΔLs

(6)

式中:ΔLs為光纖彎曲損耗,具體為:

ΔLs=ΔS(acB-acA)

(7)

式中:acA與acB分別為光纖纏繞軸A和光纖纏繞軸B的單位長度光纖宏彎曲損耗,通過式(4)可以求解acA=9.282×10-5dB/mm,acB=0.577 9 dB/mm。

聯立式(5)～式(7)則可得出位移Δl與光纖彎曲損耗之間的關系為:

(8)

令K作為傳感器的設計標準系數:

K=3/2(acB-acA)=2.596 mm/dB

則式(8)可表示為:

Δl=KΔLs

(9)

由式(9)易知,被測位移量與光纖彎曲損耗之間呈線性關系。

圖5 測量方法

2 傳感器實驗驗證

2.1 實驗過程

為研究本文所述齒輪傳動型光纖彎曲損耗位移傳感器的可行性,本文進行了傳感器的驗證實驗。實驗過程中的材料與設備主要包括:工作波長為1 550 nm 光源、光功率計、光纖位移傳感器、三角板、位移微調節平臺、有機玻璃板和熱熔膠等。

實驗裝置如圖6所示。將兩塊有機玻璃板尾的部垂直搭接在一起,并用熱熔膠槍將其固定于實驗桌上。將傳感器放入兩塊有機玻璃板之間的卡槽中,并將一塊三角板帶讀數的一邊與傳感器的外殼上部拼在一起,并用熱熔膠槍將三角板固定于實驗桌上;將傳感器的兩根光纖接頭分別與光源和光功率計連接,并測試接頭是否接觸良好;將三角板B帶讀數的一邊與三角板A帶讀數的一邊對齊放置,并將傳感器的固定螺帽用熱熔膠槍固定于三角板B上,此時沿著三角板A的一邊便可以滑動三角板B并牽動傳感器的固定螺帽伸出傳感器的外殼,從而定量模擬位移;以1 mm為步長對傳感器正反兩個行程進行傳感器的線性度與量程的測試。

圖6 傳感器測試的實驗裝置

2.2 實驗結果分析

在本實驗中,傳感器位移測試范圍為60 mm以內時所得到的實驗數據具有較高的線相關系數,因此本傳感器的位移測量范圍為60 mm。圖7為位移加載與卸載得到的實驗數據圖。

圖7 位移測試數據圖

由圖7可知,傳感器具有良好的線性度。經過線性擬合得出了傳感器加載與卸載時光損耗與位移之間的關系方程分別為:

ΔLs=0.351 4Δl-0.662

(10)

ΔLs=0.353 9Δl-0.780 8

(11)

式(10)和式(11)中:0.351 4與0.353 9分別為傳感器加載與卸載時的靈敏度,取平均值后再取倒數易得傳感器的測量標準系數K0=2.835 7 mm/dB,該值比上節中理論推導出的傳感器設計標準系數K=2.596 mm/dB多了0.239 7 mm/dB,這可能是由于傳感光纖在纏繞封裝時稍微偏松,導致傳感光纖的彎曲半徑偏大引起的,但這不影響傳感器的測量,傳感器的標準系數以測量標準系數為準,即傳感器的測量輸出公式為:

Δl=2.8357ΔLs

(12)

通常傳感器的分辨率與信號解調設備的最小分量有關,由于本文所采用的光信號解調設備為光功率計,測量的最小分量為0.01 dB,結合傳感器的位移靈敏度S=0.352 6 dB/mm,易得傳感器分辨率δ≈0.028 mm。

3 傳感器測量穩定性和重復性測試

3.1 單點穩定性和重復性測試

實際工程中,監測位移往往是隨環境量呈周期性變化,因此傳感器的穩定性和重復性顯得尤為重要。為此,本文對本傳感器進行了單點穩定性和重復性測試。

實驗裝置如圖8所示,首先將位移微調節平臺用熱熔膠固定于混凝土塊上部,將本傳感器用熱熔膠固定于位移微調節平臺的滑動平臺上,然后拉出位移傳感器的拉桿并用熱熔膠將固定螺帽固定于另一塊混凝土塊上表面,最后將光纖位移傳感器的兩根光纖接頭分別與光源和光功率計連接,調節位移微調節平臺分別對位移10 mm、20 mm、30 mm、40 mm以及50 mm進行了單點10次重復測量(每次間隔半h),記錄每次位移改變后的光損耗。

圖8 單點穩定性和重復性測試裝置

3.2 測試結果與分析

在本測試中,5組單點重復性和穩定性測試結果如表1所示。表1中測量位移平均值分別為10.002 mm、19.997 mm、29.996 mm、40.015 mm和50.019 mm,真值與平均值的差分別為0.002 mm、0.003 mm、0.004 mm、0.015 mm和0.019 mm,采集光損耗的標準偏差分別為0.028 5 dB、0.019 dB、0.031 0 dB、0.053 8 dB和0.035 9 dB,折算到位移分別為0.028 5 dB/(0.352 6 dB)×1 mm≈0.081 mm、0.054 mm、0.088 mm、0.153 mm和0.102 mm。根據以上分析,本傳感器可以實現的長期穩定性和重復精度為0.2 mm。

表1 單點重復性和穩定性測試結果

4 結論

本文在分析傳統光纖彎曲損耗位移傳感原理的基礎上,提出了一種齒輪傳動型光纖彎曲損耗位移傳感器。該傳感器克服了傳統光纖彎曲損耗位移傳感原理中光纖彎曲損耗與位移之間的非線性關系,使傳感器在實際工程中的使用更加簡便。本傳感器采用了齒輪傳遞位移的形式,具有良好的復用能力,且該傳感器具有結構緊湊、安裝方便和信號解調簡單的特點。經過實驗驗證,該傳感器具有良好的線性度、靈敏度、分辨率和較高的測量精度。基于以上的研究,本傳感器可以用于可能產生較大位移變化的監測項目中,如建筑物和橋梁中人為設置的伸縮縫以及面板堆石壩的變形伸縮縫和周邊縫等。

[1] 王宇,吳瑞東,王東,等. 分布式光纖振動傳感系統的多級零頻點定位研究[J]. 傳感技術學報,2017,30(5):655-659.

[2] 丁梓涵,趙其華,彭社琴,等. 光纖和電阻應變片在結構變形測試中的對比試驗研究[J]. 傳感技術學報,2015,28(8):1149-1154.

[3] 李劍芝,孫寶臣,杜彥良,等. 混凝土裂縫的監測[J]. 傳感技術學報,2006,19(4):1129-1132.

[4] 毛江鴻,崔磊,金偉良,等. 基于分布式光纖傳感的混凝土裂縫識別與監測試驗研究[J]. 傳感技術學報,2014,27(9):1298-1304.

[5] Kuang K S C. Distributed Damage Detection of Offshore Steel Structures Using Plastic Optical Fibre Sensors[J]. Sensors and Actuators A Physical,2015,229:59-67.

[6] Marzuki A,Heriyanto M,Dedy Setiyadi I,et al. Development of Landslide Early Warning System Using Macro-Bending Loss Based Optical Fibre Sensor[J]. 2015,622(1):012059.

[7] 丁小平,王薇,付連春. 光纖傳感器的分類及其應用原理[J]. 光譜學與光譜分析,2006,26(6):1176-1178.

[8] 薛夢馳. 光纖彎曲損耗的研究與測試[J]. 電信科學,2009,25(7):57-62.

[9] Wolff R,Miesseler H. Monitoring of Prestressed Concrete Structure with Optical Fiber Sensors[C]//Proc Eur Conf on Smart Structures and Material,Glsgow,1992:23-29.

[10] 李川,張以謨,劉鐵根,等. 可用于建筑結構檢測的分布式光纖形變片[J]. 光子學報,2001,30(10):1259-1262.

[11] 羅志會,陳池. 大量程分布式光纖傳感器的研究與應用[J]. 光電子·激光,2010,21(6):851-855.

[12] 包騰飛,趙津磊,閻培林,等. 一種新型大量程裂縫光纖傳感器[J]. 中國科學:技術科學,2015,45(9):984-990.

[13] Leung C K Y,Elvin N,Olson N,et al. A Novel Distributed Optical Crack Sensor for Concrete Structures. Eng Fract Mech,2000,65:133-148.

[14] Gambling W A,Matsumura H,Ragdale C M. Curvature and Microbending Losses in Single-Mode Optical Fibres[J]. Opt Quant Electron,1979,11:43-59.