分布式光纤光栅传感直接模拟应变检测系统研究

课题目标是用自制光纤光栅以电子学方法而不藉助光谱仪实现应变检测。课题甫始，我们即着力于光纤光栅的研制。在有关研究院所协助下，较快完成光纤光栅的研制。基本按原定方案达到原定课题目标：当传感光栅所受应变变化时，微位移器上电压相应改变，驱动检测光栅跟踪传感光栅上的应变。由初步实验推算，此系统单点应变检测误差为±20%，可测范围为100ε到100ε。现存问题主要是用目前这种经济的方法很难将光纤光栅的温度效应与应变效应区分开来。此外，光纤光栅易折断。即使如此，经进一步改进后，此应变监测系统在民用建筑中有着使用前景。此项研究对我单位研究生培养和其他相关研究起了推动作用。 2100433B

这些传感器主要包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器等。

光纤光栅传感器应变

此种传感器是在工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。应变直接影响光纤光栅的波长漂移，在工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的情况下，人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。目前常用的封装方式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。

光纤光栅传感器温度

温度是国际单位制给出的基本物理量之一，是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数，同时也是与人们日常生活密切相关的一个重要物理量。目前，比较常用的电类温度传感器主要是热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器。光纤温度传感与传统的传感器相比有很多优点，如灵敏度高，体积小，耐腐蚀，抗电磁辐射，光路可弯曲，便于遥测等。基于光纤光栅技术的温度传感器，采用波长编码技术，消除了光源功率波动及系统损耗的影响，适用于长期监测;而且多个光纤光栅组成的温度传感系统，采用一根光缆，可实现准分布式测量。

温度也是直接影响光纤光栅波长变化的因素，人们常常直接将裸光纤光栅作为温度传感器直接应用。同光纤光栅应变传感器一样，光纤光栅温度传感器也需要进行封装，封装技术的主要作用是保护和增敏，人们希望光纤光栅能够具有较强的机械强度和较长的寿命，与此同时，还希望能在光纤传感中通过适当的封装技术提高光纤光栅对温度的响应灵敏度。普通的光纤光栅其温度灵敏度只有0.010 nm/℃左右，这样对于工作波长在1550nm的光纤光栅来说，测量100℃的温度范围波长变化仅为lnm。应用分辨率为lpm的解码仪进行解调可获得很高的温度分辨率，而如果因为设备的限制，采用分辨率为0. 06nm的光谱分析仪进行测量，其分辨率仅为6度，远远不能满足实际测量的需要。目前常用的封装方式有基片式、管式和聚合物封装方式等。

光纤光栅传感器位移

研究人员开展了应用光纤光栅进行位移测量的研究，目前这些研究都是通过测量悬臂梁表面的应变，然后通过计算求得悬臂梁垂直变形，即悬臂梁端部垂直位移。这种“位移传感器”不是真正意思上的位移传感器，目前这种传感器在实际工程已取得了应用，国内亦具有商品化产品。

光纤光栅传感器加速度计

1996年，美国的Berkoff等人利用光纤光栅的压力效应设计了光纤光栅振动加速度计。转换器由质量板、基板和复合材料组成，质量板和基板都是6mm厚的铝板，基板作为刚性板起支撑作用，中间为8mm厚的复合材料夹在两铝板中间起弹簧的作用。在质量块的惯性力作用下，埋在复合材料中的光纤光栅受到横向力作用产生应变，从而导致光纤光栅的布拉格波长变化。采用非平衡M-Z干涉仪对光纤光栅的应变与加速度间的关系进行解调.1998年，Todd采用双挠性梁作为转换器设计了光栅加速度计。加速度传感器由两个矩形梁和一个质量块组成，质量块通过点接触焊接在两平行梁中间，光纤光栅贴在第二个矩形梁的下表面。在传感器受到振动时，在惯性力的作用下，质量块带动两个矩形梁振动使其产生应变，传递给光纤光栅引起波长移动。这种传感器也在国内已经有了商品化的产品。

光纤光栅传感器压力

对拉力或压力的监测也是监测的一部分重要内容，如桥梁结构的拉索的整体索力、高纬度海洋平台的冰压力，以及道路的土壤压力，水压力等。哈工大欧进萍等人相继开发出了光纤光栅拉索压力环和光纤光栅冰压力传感器，英国海军研究中心开发了光纤光栅土壤压力传感器，用以监测公路内部的荷载情况。并且各国相继开始光纤光栅油气井压力传感器的研究工作。

除以上介绍的光纤光栅传感器外，光纤光栅研究人员和传感器设计人员基于光纤光栅的传感原理，还设计出光纤光栅伸长计，光纤光栅曲率计，光纤光栅湿度计，以及光纤光栅倾角仪，光纤光栅连通管等。此外，人们还通过光纤光栅应变传感器制成用于测量公路运输情况的运输计、用于测量公路施工过程中沥青应变的应变计等。

光纤传感器的研究重点方向就是所谓的“智能材料结构”,即可以实时采集材料结构自身的受力,温度等参数,来实现对材料整体性能的智能检测。在“智能材料”这方面,光纤光栅传感器有很好的潜力,非常适用于这种准分布式传感应用,因为光纤光栅是波长编码的,在材料中不同的监测点埋设不同波长的光栅作为传感元件,再通过使用波分复用和时分复用技术就可以实现成百上千传感点的准分布式传感,就可以实现“智能材料结构”,而正确的埋设方法也是其中的一个重要环节,研究者对布拉格光纤光栅传感器的封装与埋设也做了大量的研究,主要集中在以下方面:

(1)传感光栅的保护问题

由于光纤光栅实际上是一段光纤,所以它在剪切力的作用下很容易断,所以在埋设的过程中须对它采取相应的保护措施,进行相应的封装。

(2)传感光栅与材料之间的应力传递的建模

在应力传感过程中,传感光栅是埋设入材料中的,所以应力并不是直接作用在传感光栅上的,这就意味着在材料和光栅之间存在一个力的传递问题,这是提高传感准确度的一个重要方面。这就需要利用材料力学的知识建立适当的模型进行分析,更精确的分析还要采用有限元分析法。

(3)多轴应变的产生的影响

对于光纤光栅的埋设,光栅上受到的应力有可能是多个方向的,除了轴向应力还有横向应力,横向应力会使光纤产生双折射现象,也即导致了原来的单峰反射谱分裂成两个反射峰,这就给中心波长的准确检测带来了一定的困难。

由此可见，光栅的埋设技术是非常复杂的，如果需要准确传感，需要考虑的因素非常多，其中包括光栅的保护，材料与光栅之间应力的传递，应力引起的双折射效应以及非均匀应力引起的光谱展宽等等。

光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类，即多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。

多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅（long period grating）法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBG/LPG法解调简单，但很难保证测量的是同一点，精度为9×10^-6，1.5℃。双周期光纤光栅法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度低，信号解调困难。光纤光栅/F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达20×10^-6，1℃，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高，但是，光栅写入困难，信号解调也比较复杂。

单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度，克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单，但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处，利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单，且解调为波长编码避免了应力集中，但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变，在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后，未粘贴部分的光纤光栅形变恢复，其中心反射波长不变；而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复，从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变，因此，这个光纤光栅有2个反射峰，一个反射峰（粘贴在悬臂梁上的部分）对应变和温度都敏感；另一个反射峰（未粘贴部分）只对温度敏感，通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。