1 引言
光纖傳感技術是繼電測技術之后傳感技術發(fā)展的新階段。相對于機電類傳感器，光纖傳感器具有很多優(yōu)勢，如：體積小、重量輕、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、靈活方便等。以光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)為主的光纖光柵傳感器，除了具有普通光纖傳感器的優(yōu)勢之外，還有一些特別的優(yōu)勢，最主要的是傳感信號為波長調制以及復用能力強。其好處在于：測量信號不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測器老化等因素的影響;避免了干涉型光纖傳感器相位測量模糊不清等問題;在一根光纖上串接多個布拉格光柵，把光纖嵌入(或粘于)被測結構，可同時得到幾個測量目標的信息，并可實現(xiàn)準分布式測量。廣泛應用于對工程結構的應力、應變、溫度等參數(shù)以及對結構變形、裂縫、整體性等結構參數(shù)的實時在線監(jiān)測[1,2]。
應變是材料與結構的重要物理特征參量。結構監(jiān)測的前提是從結構中提取能反映結構特征的參數(shù)，最能反映局部結構特征、便于結構安全評價與損傷定位的是應變信號，所以說應變是重要工程結構健康監(jiān)測最為重要的參數(shù)之一。通過國內外同行的大量研究和實踐，已將應變測量鎖定在光纖光柵傳感技術上[3,4]。
本文的主要工作是給出了光纖光柵應變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構成和實施方案，并對工程應用中的關鍵問題進行了論述，提出了解決方案，并將其成功地應用于重大工程結構的長期監(jiān)測中。
2 光纖光柵應變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的設計
圖1 光纖光柵分布傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構成
圖1是光纖光柵應變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構成圖。系統(tǒng)中寬帶光源輸出光輸入到環(huán)行器端口1，由端口2輸出到1×8光開關，光開關的每一路由幾個不同中心波長的光柵串接構成傳感陣列。通過不同光纖光柵的反射光波長 …… ，與被測對象上各測量點相對應，分別感受各分布測點的應力應變，使其反射光的波長發(fā)生改變，改變的反射光經傳輸光纖從測量現(xiàn)場傳出，輸入到環(huán)行器端口2，再由端口3輸出。通過光纖光柵解調系統(tǒng)探測其波長改變量的大小，并由光電探測器轉換成電信號后輸出，最后由計算機系統(tǒng)對被測對象的狀態(tài)進行分析和評估。
根據(jù)圖1的光纖光柵分布應變監(jiān)測系統(tǒng)的基本構成，把整個系統(tǒng)的實施方案分為以下幾個步驟：
1)確定結構的應變分布：依據(jù)具體結構和工程應用情況，確定測量點位置和測量分布方式，粗略估計各測點應變范圍，推算出整個結構的應變分布概況。
2)確定各測點處光纖光柵的中心波長：根據(jù)估計的各測點應變分布狀態(tài)，特別是各測點應變的最大值，將各測點的位置與對應處的光纖光柵的波長相對應。在采用分布傳感方式時，保證各測點的各點的波長分布具有一定的間隔，間隔的大小取決于各測點應變的最大值和應變屬性(拉應變還是壓應變)，避免串在一起的光柵在工作過程中波長發(fā)生重疊。
3)確定傳感器的結構和安裝方式：根據(jù)監(jiān)測的要求和工程實際情況，選擇傳感器的結構形式(貼片式、埋入式等)和安裝方式(粘貼還是焊接等)，確定埋設和保護工藝。
4)確定光纖光柵解調系統(tǒng)：依據(jù)對應測點最大應變變化值的光纖光柵波長的變化值 …… ，和各點的波長分布間隔大小( )，計算出所有測點的波長變化值和間隔值的總和，然后乘以相應的波長余額系數(shù)1.2～1.8，確定所需光纖光柵解調器的波長解調范圍，并結合所需的測量精度，選定相應的光纖光柵解調器和配套解調和數(shù)據(jù)分析軟件。
5)確定光纖光柵傳感器靈敏度系數(shù)K：依據(jù)所選定的光纖光柵傳感器的結構形式和安裝方式，選定靈敏度系數(shù)K值，并在解調軟件中進行設置，測量結果直接顯示應變值。
6)結構整體狀態(tài)的分析和評估：依據(jù)結構上各測點的實測應變值，進行特定的程序運算，確定結構整體的應變分布狀態(tài)，并對極限狀態(tài)進行報警。
