光纖光柵傳感技術在振動測試中的應用研究

(武漢地震工程研究院有限公司 湖北 武漢 430071)

振動現象普遍存在，幾乎所有的機械和建筑都存在振動引起的諸多問題[1]。風力和行駛的汽車、火車均會引起橋梁的振動，地震和風力會導致建筑物損害，飛機受到氣流的沖擊而激烈顛簸。輕微振動影響建筑的使用性能，嚴重振動則引起結構變形與損害，甚至導致建筑物的疲勞破壞和倒塌。因此，實時監測建筑振動特性具有實際意義。

振動測試在建筑領域的應用主要指：采集激勵信號和結構響應信號，對響應信號進行時域分析和頻域分析，得到結構的固有頻率、阻尼比、和振型等模態參數，進而評價結構的整體性能、判定構件損傷位置和程度[1]。傳統的振動測試儀器有壓電式加速度計、電阻式加速度計等，電磁類傳感器存在測量范圍小、易受外部環境干擾等缺陷，相比而言，光纖類傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、測量范圍大、穩定性好、壽命長等優點[2]，光纖測振技術必將廣泛應用于振動測試領域。

一、光纖光柵分類與工作機理

(一)光纖光柵的分類。光纖光柵是光纖載體上的一段特殊結構，通過紫外相位掩模板干涉技術在普通光纖上刻制出一段折射率周期性變化的柵區，該光柵結構長約1cm，因其對應變、溫度敏感而作為功能結構存在。按照柵距的不同，光纖光柵結構分為布拉格光柵(FBG)[3]和長周期光柵(LPG)[4]兩類，其中FBG柵距較小，觀察其反射譜解調出待測物理量；LPG則觀察透射譜線，圖1為兩種光柵結構的基本結構和原理，相比而言，FBG在工程傳感領域的應用更為成熟。

(二)光纖光柵的傳感機理。FBG的中心反射波長λB與光纖的有效折射率neff和光柵周期Λ滿足布拉格條件：

λB=2neffΛ

(1)

對式(1)進行微分，可得：

Δλ=2neffΔΛ+2ΔneffΛ

(2)

其中，Δλ為FBG中心波長的變化量，ΔΛ、Δneff受到溫度和應變的熱光效應和彈光效應雙重影響，Δλ也可以表示為應變和溫度的線性方程：

Δλ=αεε+αΤΔΤ

(3)

其中，ε為光柵的軸向應變，ΔT為溫度變化量，αε和αT分別為應變靈敏度系數、溫度靈敏度系數，當FBG采用石英光纖、中心波長為1550nm時，αε、αT分別約為1.2pm/με和10.8pm/℃。改變FBG中心波長或對FBG進行封裝，需要標定傳感器的靈敏度系數、測量范圍等參數。

結構振動會引起構件產生動態應變，采用FBG采集被測結構的應變時程曲線，并對應變時程曲線進行時域和頻域分析，實現基于光纖光柵傳感技術的振動測試。此外，通過光纖光柵溫度補償技術可消除溫度變化對動態應變的影響。

二、光纖光柵振動監測試驗結果與分析

(一)基于光纖光柵的振動測試系統?；诠饫w光柵的振動測試系統由圖1所示的六部分組成。其中，信號發生器可提供正弦激勵、地震激勵等不同形式的振動波，信號放大器用于調整振動幅值，激振器帶動鋼尺構件振動，光柵1粘貼于鋼尺柱表面，用于采集振動響應，光柵2用于溫度補償，FBG解調儀的兩個通道分別采集光柵1和光柵2的中心波長信號，解調儀的解調頻率為100Hz。

圖1 振動測試系統

(二)試驗結果與分析。建筑結構的固有頻率一般為0.1～1Hz，為測試光纖光柵測振系統對不同激振頻率的監測效果，設置了如表1所示的試驗項目，并對實測頻率做了準確度分析。

表1 振動測試項目

首先采用小波變換對FBG解調儀的采樣數據進行預處理，消除噪聲，平滑曲線；其次采用傅里葉頻域分析算法將預處理過的FBG波長時域信號轉換為頻域信號，獲得鋼尺梁的頻率響應信息，數據處理結果如圖3所示。

圖3 振動測試分析結果

如表1所示，光纖光柵測振系統的測量準確率較高，頻率測量誤差平均值小于1%，測量范圍大于0.1Hz～10Hz，滿足建筑結構振動測試的要求。

三、結論

本文以結構振動測試為工程背景，以光纖光柵傳感技術為測量手段，設計試驗驗證了FBG在振動測試應用中的可行性，基于FBG對應變的敏感性，通過測量動態應變，可以獲得振動響應，經過濾波和頻域分析可以得到被測結構的響應頻率，光纖光柵測振系統的采樣頻率優于100Hz，頻率測量誤差小于1%，測量范圍大于0.1Hz～10Hz，可以滿足建筑結構振動響應的監測需求。