光栅光纤论文

摘 要：结构健康监测对保证结构的长期安全运行具有重要的意义，而位移监测是测量技术中最基本的测量项目之一，是多种物理量测量的基础（如：振动、压力、应变、加速度等）。光纤光栅是目前在智能材料系统与结构健康监测研究与应用最为广泛的敏感材料之一，具有分布式绝对测量、抗腐蚀能力强等优点。本文基于光纤光栅的应变测量原理，设计开发出一种新颖的位移传感装置，详细推导和试验验证了该装置的传感特性。研究结果表明，该装置具有温度自补偿、线性度和重复性好、精度较高等优点，具有良好的应用前景。 关键词：结构健康监测；位移；光纤光栅；温度自补偿 ABSTRACT：Structural Health Monitoring is very important to ensure the safe of the structure in a long period. However the displacement monitoring is one of the most basic measuring items and it is the foundation of the measure of other physics quantities (such as: vibration、pressure、strain、acceleration and so on). Fiber Bragg grating(FBG) with advantages of quasi—distribution absolute measurement，high corrosion resistance，etc，has become one of the most popular sensing element for intelligent materials system and structural health monitoring. In this paper，a novel displacement cell based on FBG was developed．Its sensing properties was theoretically analyzed and tested by experiments．The research results show that the FBG-based displacement cell has good 1inearity，repetition，immunity of temperature changes．Such kind of FBG-based displacement cell shows great prospect for practical applications． Keyword: structural health monitoring；displacement；Fiber Bragg grating； temperatureselfcompensation 中图分类号：TP212 文献标识码：A 文献标识码： A 文章编号： 1. 引 言 结构健康监测是土木工程学重要研究领域，其发展对认识结构的破坏机理，识别和修正计算模型，最终提高结构防灾减灾能力具有重要意义[1]。而位移检测是测量技术中最基本的测量项目之一[2]，是多种物理量测量的基础（如：振动、压力、应变、加速度、流量等）。位移传感器按工作原理的不同可分为电阻式、振弦式、电感式和电容式等。它们有一个共同的缺点：数据不能长距离传输，耐久性较差。因此不适合于工程现场应用。光纤光栅是近10 年来出现的一种新型智能传感元件，具有抗潮、抗腐蚀能力强，耐久性好，结构简单，可以长距离传输，可以组成分布式传感网络等优点[3]。 本文基于光纤光栅的传感原理，并考虑到实际位移监测时必须排除温度的干扰，设计开发出一种带有温度自补偿的光纤光栅位移计，并进行了详细的原理推证和多种性能试验。 2. 光纤光栅位移计的结构设计 为了符合结构长期监测的要求，传感器结构应该具有：1）便于安装使用；2）能够温度自补偿；3）可靠性好；4）耐久性强等特点。根据上述要求，我们设计的光纤光栅位移计结构如图1所示。 1尾纤12尾纤23垫块4光纤光栅15光纤光栅26等强度梁7支杆 8楔块9探杆10压缩弹簧11连接杆 图1 光纤光栅位移计结构示意图 带有温度自补偿的光纤光栅位移计的组成部分主要包括：1）测量探杆：感知外界位移，是位移计的输入端；2）楔块：将位移量转换为等强度梁的挠度；3）等强度梁：位移计的核心组件，两个光纤光栅分别粘贴于等强度梁的上下表面，感受探杆位移引起的等强度梁的应变变化；4）压缩弹簧：给楔块提供恢复力。 3. 光纤光栅位移计的工作原理 光纤光栅波长与应变、温度间的关系 由Bragg 光栅的原理可知，它是温度和应变交叉敏感的元件。本设计为了消除温度对光栅工作的的影响，采用两个光纤光栅，因为两个光纤光栅彼此之间非常接近，我们可以认为两个光纤光栅的工作环境温度是相同的；而根据等强度梁的结构形式可以知道，等强度梁上下表面的应变数值相等、方向相反。光纤光栅在等强度梁上的布设图如下： 图2 等强度梁上光栅布设形式图 由Bragg光栅原理知光纤光栅位移计的两个光栅的表达式如下[4]： (1) (2) 其中 ，。 式中： —— 等强度梁的热膨胀系数； —— 掺锗光纤的光热系数； ——为光纤光栅光弹系数。 —— 环境温度变化量。 因为； 用式（1）减去式（2），得： (3) 又因为本次设计选用同一批光纤光栅，它们的传感特性一致，即，。则式（3）可以转换为： (4) 等强度梁挠度与应变关系 设梁的固定端宽度为，梁长为，梁厚为，梁的弹性模量为，梁自由端挠度和梁自由端所承受的力的关系为： (5) 等强度梁各点应变值和梁自由端所承受的力的关系为 (6) 将式（6）代入式（5）中得： (7) 位移传感理论公式 如图1位移计原理图，假设测量探杆有位移量，则探杆推动楔块产生水平位移为，等强度梁在楔块作用力下的挠度为，则有如下关系式： (8) 式中 ——楔块的倾斜角； 将式(7)代入(8)得出： (9) 由式（4）和（9）可得出位移与波长间关系式 (10)

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