摘 要：通過在橋梁、建筑等重大工程結(jié)構(gòu)的具體實施應(yīng)用中，對光纖光柵工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變長期監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法、基本構(gòu)成、傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、系統(tǒng)的溫度補償、現(xiàn)場傳感器的布設(shè)、保護工藝等諸多重要問題進行了分析和研究，并加以解決。應(yīng)用此系統(tǒng)對大型重量級工作制鋼吊車梁的加固進行了監(jiān)測，通過與理論的對比表明采用光纖光柵應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)對大型構(gòu)件實現(xiàn)應(yīng)變檢測是可行的。 關(guān)鍵詞：光纖光柵;應(yīng)變;工程結(jié)構(gòu);監(jiān)測 [b][align=center]Design of Monitoring System Based on Fiber Bragg Grating Strain Sensor Cao Hai-yan, Tian Yue-xin[/align][/b] Abstract：In the process of the application of the sensors in bridges, architectures and other critical engineering structures, systematic analysis is made on the key problems, such as the devise of FBG long-term strain monitoring system, basic structure, optimization of sensing network, temperature compensation of the system, layout of sensor and protecting crafts. The system designed is applied to monitor the strengthening of the large crane beam. It is feasible to monitor the large structure with the scheme of FBG strain sensor by contrast to the theory. Key words: Fiber Bragg Grating; strain; engineering structures; monitoring 1 引言 　　光纖傳感技術(shù)是繼電測技術(shù)之后傳感技術(shù)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(diào)制以及復(fù)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(jié)構(gòu)，可同時得到幾個測量目標(biāo)的信息，并可實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量。廣泛應(yīng)用于對工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)以及對結(jié)構(gòu)變形、裂縫、整體性等結(jié)構(gòu)參數(shù)的實時在線監(jiān)測[1,2]。 　　應(yīng)變是材料與結(jié)構(gòu)的重要物理特征參量。結(jié)構(gòu)監(jiān)測的前提是從結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)，最能反映局部結(jié)構(gòu)特征、便于結(jié)構(gòu)安全評價與損傷定位的是應(yīng)變信號，所以說應(yīng)變是重要工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測最為重要的參數(shù)之一。通過國內(nèi)外同行的大量研究和實踐，已將應(yīng)變測量鎖定在光纖光柵傳感技術(shù)上[3,4]。 　　本文的主要工作是給出了光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成和實施方案，并對工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進行了論述，提出了解決方案，并將其成功地應(yīng)用于重大工程結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測中。 2 光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計 [align=center] 圖1 光纖光柵分布傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成[/align] 　　圖1是光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)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(guān)，光開關(guān)的每一路由幾個不同中心波長的光柵串接構(gòu)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(yīng)，分別感受各分布測點的應(yīng)力應(yīng)變，使其反射光的波長發(fā)生改變，改變的反射光經(jīng)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(diào)系統(tǒng)探測其波長改變量的大小，并由光電探測器轉(zhuǎn)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(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成，把整個系統(tǒng)的實施方案分為以下幾個步驟： 　　1）確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布：依據(jù)具體結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)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(yīng)變范圍，推算出整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(yīng)變分布狀態(tài)，特別是各測點應(yīng)變的最大值，將各測點的位置與對應(yīng)處的光纖光柵的波長相對應(yīng)。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(yīng)變的最大值和應(yīng)變屬性（拉應(yīng)變還是壓應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)和保護工藝。 　　4）確定光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)：依據(jù)對應(yīng)測點最大應(yīng)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?。?），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(yīng)的波長余額系數(shù)1.2～1.8，確定所需光纖光柵解調(diào)器的波長解調(diào)范圍，并結(jié)合所需的測量精度，選定相應(yīng)的光纖光柵解調(diào)器和配套解調(diào)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(jié)構(gòu)形式和安裝方式，選定靈敏度系數(shù)K值，并在解調(diào)軟件中進行設(shè)置，測量結(jié)果直接顯示應(yīng)變值。 　　6）結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的分析和評估：依據(jù)結(jié)構(gòu)上各測點的實測應(yīng)變值，進行特定的程序運算，確定結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變分布狀態(tài)，并對極限狀態(tài)進行報警。 3 在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題 　　3.1 光纖光柵應(yīng)變傳感器的埋設(shè)和保護 　　傳感器的埋設(shè)工藝必須達到兩個目的：一是保證結(jié)構(gòu)的應(yīng)變完全傳遞到傳感器，由傳感器表征出來;二是保證傳感器的使用壽命滿足重大工程結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測的目的[5]。與其它領(lǐng)域相比（如機械），大型工程結(jié)構(gòu)（例如土木工程）的施工、服役環(huán)境惡劣，因此傳感器的埋設(shè)工藝是傳感技術(shù)工程化的關(guān)鍵。 　?。?）粘貼式光柵應(yīng)變傳感器 　　這種傳感器的安裝工藝分為：粘貼劑的選擇-打磨-清洗-粘貼-傳感器保護-光纜的敷設(shè)等步驟，其中粘貼劑的選擇是該類傳感器在安裝中需要首先考慮的一點，粘貼劑的性能必須滿足以下幾點：能形成薄的、無間隙的、具有高剪切強度的膠層;具有從低溫到高溫的寬工作范圍;良好的線性、小輸變和滯后;具有高延伸率。 　　為了保證鋼片能牢固地粘貼在鋼筋上，必須用砂輪機在鋼筋打磨出一個面積適中的平面，越光滑越好，用酒精清洗后，均勻地涂上一層環(huán)氧樹脂膠，然后將傳感器粘貼其上，應(yīng)確保光柵軸向與鋼筋軸向一致。用兩塊磁鐵輕壓在傳感器的上表面，讓環(huán)氧樹脂膠自然固化。固化后，在傳感器四周的縫隙處再補膠一次。最后在外邊纏幾層紗布將傳感器保護起來。至此，傳感器的安裝和保護工作基本做完。接著就是鋪設(shè)和保護光纜，需要注意三點： 　　a.當(dāng)沿著鋼筋捆扎光纜時，光纜要松弛一些，且放在鋼筋的下側(cè)，保證光纜不受混凝土澆注、振倒和壓模等過程的直接沖擊; 　　b.不要讓光纜對折彎曲，以免光強損耗過大; 　　c.在光纜從構(gòu)件中出來的一段，要用有一定強度的塑料管將光纜套入其中，以免在澆注時被拉斷。 　?。?）埋入式光柵應(yīng)變傳感器 　　這類傳感器安裝比較方便，一般采用扎絲將其捆綁在結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋上，使其與混凝土的受力方向保持一致，在傳感部位用紗布完全包裹，其目的是保證傳感器只受軸向應(yīng)力作用，避免剪切。光纜的保護同上。 　　3.2 溫度補償 　　在光纖光柵的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)中需要進行溫度補償。補償?shù)姆椒ㄓ卸喾N，如采用一種特殊的偏振型傳感光纖，通過在橢圓纖芯周圍調(diào)節(jié)應(yīng)力來消除應(yīng)力引起的雙折射，來達到減弱對溫度不敏感的目的，但這種方法適合于低應(yīng)變條件下使用。也可以通過適當(dāng)設(shè)計光纖光柵的支撐材料使之熱膨脹系數(shù)不同，借以降低或消除溫度靈敏性。在工程實際應(yīng)用中，多采用線性補償?shù)霓k法。這種方法的依據(jù)是：在0℃～100℃和0～1%應(yīng)變的測量范圍內(nèi)，忽略應(yīng)變-溫度交叉靈敏度影響，對測量結(jié)果的影響很小，把應(yīng)變和溫度對光柵波長的作用當(dāng)作是獨立地線性疊加。根據(jù)上述原理，在溫度變化明顯區(qū)域如錨固端或在錨索根部、中部、端部，橋的陰面和陽面，橋面或橋底等部位分別布置兩個近位置光柵，其一為測量光柵，同時受溫度和應(yīng)變影響;另一個為溫度補償光柵，只受溫度影響。注意，兩光柵的支撐材料要一致，且應(yīng)處于同一溫度場中。因此，溫度變化引起的兩光柵波長變化應(yīng)相同，在測量光柵的波長漂移中，扣除溫度變化引起的波長漂移，即得應(yīng)變單獨作用引起的波長漂移，從而達到了溫度補償?shù)哪康摹? 　　3.3 分布傳感與網(wǎng)絡(luò)化 　　光纖光柵傳感技術(shù)最大的優(yōu)點之一就是能夠進行分布式測量。采用波分復(fù)用技術(shù)，可在一根光纖上串接多個中心波長不同的光纖光柵傳感器，將波長值和測點位置對應(yīng)起來，就可以實現(xiàn)分布式測量。目前在實驗室中最多可以串接20個左右，但在工程應(yīng)用中，必須考慮到解調(diào)器的解調(diào)范圍、波長分辨帶寬以及待測參量的變化范圍。因此，進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計前，必須掌握被測對象的應(yīng)變范圍，對光纖光柵的波長進行合理選擇，對串接的光柵的波長間隔進行設(shè)計，并留有一定余量，不能一味追求串接的數(shù)量。 4 測試分析 　　本次測試對象是大型重量級工作制鋼吊車梁。 　　4.1 測點布置 　　測試對象為采用焊接加固的跨度28米的吊車梁圓弧端。吊車梁圓弧端兩側(cè)加固板上對稱布置兩處測點，吊車梁圓弧端R板一側(cè)布置一處測點。每處測點都由光纖光柵組成應(yīng)變花的形式，即每處均有光纖光柵三點，此外還設(shè)置一個光纖光柵作為溫度補償點，共計十點。由九個光纖光柵組成應(yīng)變花形式以測試三個測點的平面應(yīng)力，由一個光纖光柵作為溫度補償測點，由于三個應(yīng)力測點位置比較靠近，溫度變化均應(yīng)與溫度測點處相近。 　　4.2 測試方案 　　測試采用440/80t吊車加載，吊車的小車吊起已知重量Q的重物并盡量靠近測試一端，當(dāng)停在指定位置L后讀數(shù)，測試情況如圖2所示。 [align=center] 圖2 測試吊車的位置[/align] 　　實際測試時吊重Q為141.57t，工況有四個，測試用吊車的位置L有所不同，具體如表1所示。結(jié)合前續(xù)項目吊車輪壓的測試結(jié)果，根據(jù)吊重Q可計算出此時的吊車輪壓P，然后根據(jù)吊車位置L就可以計算出每個工況條件下測試部位吊車梁的支座反力R，以計算加固后吊車梁圓弧端處測點在測試工況條件下的理論應(yīng)力值。 　　表1 測試數(shù)據(jù) 　　4.3 測試結(jié)果與分析 　　為了與實測結(jié)果進行對比，采用三維塊體有限元單元模擬焊接加固設(shè)計方案的圓弧端端頭應(yīng)用ALGOREAS有限元進行分析計算，計算中材料的彈性模量E、泊松比、計算模型的尺寸與加固設(shè)計尺寸相同。圓弧端處測點的最大主應(yīng)力有限元計算結(jié)果與實測的結(jié)果對比如表2所示。 　　表2 應(yīng)力計算與實測結(jié)果對比 　　從表2可以看出，加固板上跨內(nèi)側(cè)與跨外側(cè)測點的結(jié)果不同，說明加固板受到外彎曲作用，但兩側(cè)實測結(jié)果平均值與有限元計算結(jié)果較為吻合，能夠反映圓弧端加固板的實際應(yīng)力分布和變化情況。 　　測試數(shù)據(jù)表明：吊車軌道與吊車梁中心線之間有偏差，引起吊車端的附加應(yīng)力。本次測試的差異主要來源于測點位置的偏差（兩端焊縫形式，測點離開焊縫的距離）與計算模型的差異（吊車梁實際工作狀態(tài)與理想模型之間的差異）等。同樣，R板上測點實測值與有限元計算結(jié)果有較大偏差，這主要是由于僅測試一側(cè)，實際受到平面外作用、測點偏差等影響造成的。上述對比分析說明光纖傳感測試技術(shù)應(yīng)用于圓弧端監(jiān)測數(shù)據(jù)分析是可行的。 5 結(jié)論 　　該吊車梁的工作環(huán)境受電磁沖擊干擾大，所受載荷大且吊車工作頻繁;由于吊車梁的工作應(yīng)力水平較大，在梁圓弧端產(chǎn)生了斜向疲勞裂縫，為此采用了雙向焊接圓弧鋼板加固方法進行了加固。為了檢測加固效果，曾進行過應(yīng)變片的測試，其測試信號受到較大干擾，穩(wěn)定性差。再次進行應(yīng)變測試采用了光纖光柵傳感技術(shù)。與應(yīng)變片測量相比，光纖光柵應(yīng)變測量分辨率和靈敏度都比較高，特別適合于檢測結(jié)構(gòu)非常微小的應(yīng)變，是一種先進的檢測技術(shù)。光纖光柵應(yīng)變測量為波長調(diào)制、數(shù)字傳輸，其抗環(huán)境干擾強、長期穩(wěn)定性好，在結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測和安全評估方面具有極大的應(yīng)用前景，具有重大的社會和經(jīng)濟效益。 本文作者創(chuàng)新點： 　　1、對光纖光柵工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變長期監(jiān)測系統(tǒng)給出了創(chuàng)新性構(gòu)建方案和實施方案。 　　2、對工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，例如傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、系統(tǒng)的溫度補償、現(xiàn)場傳感器的布設(shè)、保護工藝等進行了全面地分析和研究，并給出了解決方案。 參考文獻： 　　[1] 劉建平等.光纖Bragg光柵傳感網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測與應(yīng)變分析[J].微計算機信息,2006,4-1:186-188。 　　[2] 詹亞歌等.光纖光柵傳感器的應(yīng)用[J].物理,2004,33（1）:58-61。 　　[3] 黃尚廉等.光纖應(yīng)變傳感器及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測控技術(shù),2004,23（5）:1-5。 　　[4] 楊要恩等. 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