引言

光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器因其独特的性质在桥梁结构健康监测中得到广泛的应用。当应用FBG传感器单独测量桥梁结构温度和应变变化时, 光栅的波长漂移和温度与应变变化成线性关系^[1]。然而在实际应用中, 温度和应力往往同时存在, 传感器对温度和应力都是敏感的。当FBG传感器用于测量时, 由于温度和应变均能引起光栅谐振波长的变化, 监测单个光栅谐振波长的变化无法对温度和应变各自引起的变化加以区分^[2]。因此, 温度和应变交叉敏感问题一直是光纤光栅传感技术发展中亟需解决的问题。本文设计了基于参考光纤光栅法的温度与应变双参数同时测量的FBG传感器, 以此来解决温度与应变交叉敏感的问题。

1 参考光纤光栅法原理

参考光纤光栅法^[3]是采用一个额外的、对应力不敏感的FBG作为温度传感器来测量应变传感器周围环境的温度变化, 然后通过从总的波长变化中减去温度引起的波长变化得到应变引起的波长变化, 进而得到待测应变, 实现温度与应变的同时测量。

温度和应变双参数同时测量的原理^[4]:利用两个参量共同对温度和应变进行编码, 通过解联立方程组来确定温度和应变的大小, 主要是在光纤上相邻很近的一段距离内写入两个谐振波长相差很大的光栅, 因其谐振波长相差很大而表现出不同的温度和应变响应特性, 通过测定两个谐振波长的移动来实现双参数同时测量。利用两个不同谐振波长的FBG传感器, 通过求解方程组, 便可分别得到由温度和应变引起的谐振波长漂移。两个FBG传感器的波长相对漂移分别为:

(1)

(2)

式中:λ为光栅的中心波长; Δλ为波长变化量; ΔT为温度变化量; ΔS为应变变化量; K_{B, T}为温度的相对灵敏度; K_{B, S}为应变的相对灵敏度。其中, , 式 (1)、式 (2) 可组合为

(3)

为使式 (3) 有解, 要求

(4)

在同一根光纤上写入不同的谐振波长的光栅, 其温度和应变的相对灵敏度是相同的, 安装时因两个光栅相距较近, 可认为两者处在相同的温度场中, 其中一个光栅是处于自由伸直状态不受应变的影响。这样, 相当于式 (2) 的K_{B2, S}=0, 通过测量两个光栅的波长漂移, 再经过计算便可以得到温度和应变的变化量。

2 FBG传感器的设计 2.1 FBG传感器的结构

温度和应变都会直接影响FBG传感器的布拉格波长, 采用参考光纤光栅法测量温度和应变, 既能两个量同时测量, 又能解决交叉敏感问题。如图 1所示, 在光纤内制作两个相邻距离比较小的不同中心波长的光栅。光栅1用于应变的测量, 同时也会受到温度的影响, 其波长变化为Δλ₁; 光栅2只用于温度的测量, 也称为温度补偿光栅^[5], 波长变化与应变变化无关, 其波长变化为Δλ₂。两个光栅相邻, 温度对其的影响是相同的, 因此光栅1因应变的影响所引起的波长变化为Δλ₁－Δλ₂, 其中Δλ₁、Δλ₂分别为:

(5)

(6)

根据光在光纤中的传输特性, FBG传感器的布拉格波长取值范围为1 530~1 570 nm, 当光波长为1 550 nm左右时, 光在光纤中传输损耗最小, 因此选用中心波长为1 550 nm左右的FBG传感器^[6]进行制作并对其特性进行研究, 其中光栅1的中心波长λ₁为1 550.085 6 nm, 光栅2的中心波长λ₂为1 542.217 9 nm。

2.2 FBG传感器的封装

FBG传感器具有其他电类传感器所不具备的优良特性, 同时也存在着一些弱点, 例如光纤本身是非常脆弱的, 为了更好地保护FBG传感器, 需要设计一定的机械结构对FBG传感器进行封装, 起到对FBG传感器的保护作用。

FBG传感器的封装主要应用金属管和胶粘剂两种材料^[7]。为了使金属管材料能很好地传递被测应变的变化, 所选材料应具有耐腐蚀、抗疲劳、弹性范围宽、与被测结构相容性好的特点^[8]。根据上述分析, 不锈钢管是最合适的金属管材。温度传感光栅采用了悬空设计, 既不使用胶粘剂也不与金属管壁接触, 对于保护光栅起到了很好的作用, 同时也不会对温度传感产生影响。应变传感光栅部分采用了胶粘剂与金属管材配合, 考虑到传感器的长期使用, 胶粘剂对金属管材料和光纤应具有很好的粘连性, 同时要求延伸能力、强度和耐久性良好。胶粘接的作用是将金属管和光纤固结在一起, 使其成为一个整体^[9]。该封装不仅保持了裸光纤的温度灵敏度, 能够自由感应被测对象的温度变化, 而且充分消除了外界应力的影响。传感器的封装模型如图 2所示。

3 实验结果及分析 3.1 实验原理

为验证传感器的性能是否达到设计要求, 在恒温箱内对其进行了实验验证。通过对传感器布设位置进行均匀加载, 使FBG传感器产生应变变化, 同时因实验在室内进行, 应变变化量为0~140 με, 同时记录应变光栅和温度光栅的波长变化, 应变测量原理如图 3所示。

通过对砝码进行加载, 可使悬臂梁处于受力状态, FBG传感器与悬臂梁粘接在一起, 受力状态相同, 根据应变计显示不同的应变值, 获得不同应力状态下的应变光栅波长和温度光栅波长。然后, 通过控制恒温箱的温度变化, 使光栅1处在不同的温度场中 (-50~+50 ℃), 记录光栅1受温度变化而引起的中心波长变化。

3.2 实验数据及分析

由实验获得了不同应力状态下FBG传感器的应变光栅波长和温度光栅波长, 以及FBG传感器的应变传感特性一阶曲线和FBG传感器的温度传感特性一阶曲线。测量数据如表 1、表 2所示, 特性曲线如图 4、图 5所示。

从表 1中可以看出, 随着应变的不断增加, 光栅1的波长也随之增大, 通过MATLAB软件拟合得到FBG传感器光栅1中心波长与应变关系曲线, 如图 4所示。从一阶拟合曲线可以得出FBG传感器的灵敏度系数为1.22 pm/με，FBG传感器的布拉格波长与应变的线性关系很好, 相关系数可达0.99以上, 说明FBG传感器是非常好的应变传感元件。光栅2的波长在应变变化的过程中基本保持不变, 说明应变的变化对温度传感光栅几乎不产生影响, FBG传感器的性能非常稳定。波长移动量如表 2所示, 通过观察光栅2的波长移动量可知, FBG传感器中测温光栅的性能稳定, 基本不受应变的影响, 达到了温度参考的作用。

通过对FBG传感器应变传感光栅的测试, 获得了如图 5所示的FBG传感器温度特性曲线, 随着温度的均匀增加, 光栅1的中心波长随温度变化近似呈线性变化, 通过拟合可近似得出温度变化与光栅1中心波长的关系

(7)

因此, 在实际测量中, 当同一测量点同时具有温度和应变变化时, 应变传感光栅1的中心波长移动量应剔除由温度变化引起的微小变化量, 修正后的Δλ计算公式为

(8)

由式 (8) 计算获得的纯应变引起的光栅中心波长变化量更加准确, 更具参考价值。

4 结论

基于FBG传感器的参考光纤光栅法能够解决桥梁结构健康监测中应变与温度交叉敏感的问题, 温度传感光栅的中心波长基本不受应变变化的影响, 应变传感光栅中心波长变化与温度变化呈线性关系, 经修正后测量数据更贴近于实际情况, 很好地达到了解决问题的目的。设计的FBG传感器和FBG传感器封装的机械结构性能稳定, 可应用于实际的工程检测中。