FBG传感器

FBG传感器（精选7篇）

FBG传感器 篇1

0 引 言

光纤光栅自从1978年问世以来就一直为人们所重视,它对包括光纤通信、光纤传感器和光学信号处理等在内的其它光纤领域有着深远的影响。光纤光栅具有体积小[1]、波长选择性好、不受非线性效应影响、偏振不敏感、易于与光纤连接、便于使用和维护、带宽宽、附加损耗小、耦合性好等诸多优点,并且其制作工艺比较成熟,易于形成规模生产,成本低,因此具有良好的实用性。然而,裸光纤光栅灵敏度不高,且其直径只有125 μm,在恶劣的工程环境中容易损伤,非常脆弱,尤其是抗剪能力差,所以不能直接用于实际工程,只有对其进行保护性的封装之后才能使用。因此光纤光栅的封装或增敏处理,成为光纤光栅传感器实用化的一个非常重要的环节。

1 光纤光栅的工作原理

光纤光栅是由紫外光写入到光纤纤芯中形成的全息衍射光栅,作为一种相位光栅,其纤芯折射率呈周期性变化。根据耦合模理论,当宽带光在FBG(Bragg光纤光栅)中传输时,满足Bragg相位匹配条件的光被反射,反射光的中心波长为λB=2neffΛ,其中λB为Bragg波长;neff为FBG的有效折射率,即折射率调制幅度的平均值;Λ为FBG的周期。可见,FBG的反射波长取决于有效折射率neff和光栅周期Λ,当FBG所处环境的温度、应力或其他物理量发生变化时,FBG的周期Λ或有效折射率neff也随之改变,从而使反射光波长发生变化。通过测量反射光波长的变化,就可以获得待测物理量的变化。

若只考虑FBG受到轴向应力的作用,则应力变化对Bragg反射波长的影响主要体现在两方面:弹光效应使折射率变化,应变效应使光栅周期变化。若只考虑FBG受到温度的影响,温度变化对Bragg反射波长的影响也主要体现在两方面:热光效应使折射率变化,热膨胀效应使光栅周期变化。假设应变和温度分别引起Bragg反射波长的变化是相互独立的,则两者同时变化时,Bragg反射波长的变化可表示为[2]:

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式中KT为温度灵敏度系数,Kε为应变灵敏度系数,Pe为弹光系数,ε为轴向应变,α为线膨胀系数,ζ为热光系数,ΔT为温度的变化量。

理论上只要测到两组Bragg反射波长变化量就可同时计算出应变和温度的变化量。对于其他的一些物理量,如加速度、振动、浓度、液位、电流、电压等,都可以设法转换成温度或应力的变化,从而实现这些物理量的测量。此外,通过在FBG上涂覆特定的功能材料,如压电材料,也能实现对电场等物理量的间接测量。但是由于采用的光纤不同、写入光栅的工艺以及退火工艺的差别,不同FBG的传感灵敏度会有差异,尤其是FBG经过封装以后,封装材料会极大地改变其传感特性,因此封装后的FBG必须经过标定才能用于实际传感测量。

2 现有FBG封装方法的不足

目前,FBG封装最常用的方法主要有两种:a.FBG直接粘贴在基底材料上,典型的为贴片封装[3]。该方法是采用一种耐高温有机胶将FBG封装于铍青铜基底材料上,基底材料的线膨胀系数比FBG的大,以提高其温度灵敏度系数。b.利用模具或管材灌封,典型的为毛细钢管封装[4]。该方法是将毛细钢管套在FBG上,中间灌封改性丙烯酸酯,然后放入烘箱进一步烘干、固化。在不改变FBG应变灵敏度系数的同时,提高其温度灵敏度系数,为FBG在温度测量的应用提供了一个很好的封装方法。由于毛细钢管的直径太小,不利于改性丙烯酸酯的灌封,而将FBG粘在基底上的封装方式,会造成FBG的线膨胀不均匀,因此这两种封装方法都不是很理想。为了弥补上述方法的不足,研发人员在封装结构、封装材料以及封装黏结剂方面加以改进,以期获得更为理想的封装效果。

3 黏结剂的研发

FBG封装时黏结剂的选择十分重要,若黏结剂的黏结强度不够,会影响封装的质量、传感器的使用寿命和在恶劣环境中工作的能力。由于环氧胶黏剂黏附力强、收缩率较低、化学稳定性好,因而在早期研究中有很多研发人员将其用作FBG封装黏结剂。但环氧胶黏剂的玻璃化转变温度较低,耐温性能较差,固化收缩所产生的应力较大,FBG粘贴后易出现啁啾效应等缺陷也十分突出;此外,如直接用环氧胶黏剂在脆性基底材料上封装FBG,容易拉裂基底材料;还有不容忽视的一点是环氧胶黏剂的添加剂有毒。综上所述,环氧胶黏剂并不是一种最好的黏结剂,尚需进一步改进。周红等人提出在环氧胶黏剂中填加纳米SiO2、TiO2和SiC粒子[5],一方面可提高环氧胶黏剂中共价键的结合力,另一方面也可提高其交联密度。图1为纳米SiO2粒子与环氧胶黏剂结合的示意图,图2为纳米单体粒子与环氧胶黏剂互穿网状结构示意图。纳米改性后的环氧胶黏剂耐温性能好,在高温(300 ℃以上)、高压(40 MPa以上)时黏结强度高,且韧性同步提高,固化收缩率进一步减小,具有应变胶的特性,应注意纳米SiO2、TiO2和SiC粒子的最佳掺入比例,避免比例不恰当导致胶黏剂性能下降。改变纳米粒子的掺入比例可调整胶黏剂的力学性能,以适应不同的基底材料。采用改性后环氧胶黏剂黏贴封装的FBG温度传感器和FBG压力传感器的实验和现场测试结果表明,FBG粘贴牢固,而且不会引起FBG啁啾,封装后的FBG传感器能适用于高温、高压和强腐蚀等恶劣环境。此外,改性后环氧胶黏剂也可作为FBG传感器的密封用胶。

刘春桐等人提出了一种全金属封装法,用焊接技术取代黏结剂[6],具体封装过程是:先将焊锡置于一小金属盒内,然后将FBG固定于金属盒的中心轴线位置,用酒精灯外焰对金属盒加热进行锡焊,使其将FBG完全封住,再撤去酒精灯,待锡块完全冷却至室温,即完成了对FBG的全金属封装。利用水浴加热法对全金属封装后的FBG传感器进行温度特性的研究,如图3所示。实验结果表明,在19～60 ℃的温度范围内,全金属封装后的FBG的温度灵敏度系数为34.0 pm/℃,是封装前的3.3倍,且有较好的重复性,可以制作出适合长期使用的高品质FBG传感器。并且全金属封装法避免了利用聚合物作为衬底材料或黏结剂进行封装的FBG传感器在长期使用过程中出现聚合物的蠕变、老化等问题,确保了FBG传感器的传感性能。但这种全金属封装法会使FBG产生较为严重的啁啾效应,但通过对FBG作退火处理等方法可以减少其啁啾程度,能获得较好的效果。

由此可见,上述两种方法虽然仍存在缺陷,但相比以前的一些封装黏结剂均有了很大的提高,也取得了不错的效果。

4 封装材料的研发

封装材料的性能参数(包括泊松比、弹性模量、线膨胀系数及封装厚度)与FBG材料的性能参数不一致,往往会造成FBG封装后的温度灵敏度系数与裸FBG有很大不同。文献[7]表明,FBG温度灵敏度系数随着封装材料的线膨胀系数、泊松比及封装厚度的增大而增大。因此,采用线膨胀系数较大的增敏材料封装FBG是增加其温度灵敏度系数的有效途径。

基于上述原理,不少研发人员提出了各自不同的设计方案。于秀娟等人提出了铜片封装工艺,利用线膨胀系数较大的铜做封装材料,将FBG用双组分的M-Bond 610胶封装在刻有细槽的铜片内部[8]。铜片封装的FBG结构如图4所示。实验结果表明,与裸FBG的测试结果相比,铜片封装工艺基本不改变FBG的应变灵敏度系数,但是温度灵敏度系数却提高了2.78倍。铜片封装FBG可探测的最小应变和温度变化分别为1 μm和0.03 ℃,十分便于工程应用。铜片封装的FBG传感器结构简单,而且容易固定在被测物体上,利用复用技术可以构成FBG传感网络,检测大范围空间的应变和温度等物理量,因此比较适用于航空航天结构、复合材料、土木工程建筑结构等的健康监测。

刘春桐等人提出了FBG的铝合金箔片封装工艺,其采用DG-3S改性环氧胶将FBG粘贴在下基片上刻出的细槽中,用厚度为0.1 mm的铝合金箔片作为衬底材料[9]。铝合金箔片封装的FBG结构如图5所示。实验结果表明,铝合金箔片封装的FBG传感器与裸FBG相比,应变灵敏度系数提高了1.2倍,温度灵敏度系数提高了3.02倍,中心波长的漂移与荷载及温度都具有良好的线性关系,且有较好的重复性。铝合金箔片封装工艺封装结构简单,轻便柔韧,易于与被测构件结合,还适合表面具有一定曲率的被测构件;利用复用技术还可构成FBG传感网络,检测大范围空间的应变和温度等物理量,适合航空航天结构、汽车、轮船、土木建筑等铝合金广泛应用的行业。

周国鹏等人提出了新型聚合物封装工艺,使用特殊方法将裸FBG封装在两种聚合物构成的基底中,用常见的热熔性材料结合热缩性材料成功地对FBG进行了封装[10]。图6为新型聚合物封装FBG的过程和结构示意图。实验结果表明,新型聚合物封装工艺可以将裸FBG的温度灵敏度系数提高6倍,而且封装后的FBG保持了良好的应变特性,同时通过调整封装中各组分比例或者对组成做改性,改变封装结构的总线膨胀系数,可以制成不同温度灵敏度系数的FBG传感器。新型聚合物封装工艺可很好地满足常温下的工程应用要求,特别是相对于金属材料,这种封装方法可选择的材料更广泛,且简单易行,尤其在温度测量方面更具优势。

从提高FBG的温度灵敏度系数来说,上述三种封装材料中聚合物最好,铝合金箔片其次,铜片最差。但是铜和铝合金封装的FBG的优点在于适用于航空航天结构、复合材料、土木工程建筑结构等表面的传感测量。当铜封装的FBG应用于工程结构表面的传感测量时,封装结构体积较大、柔韧度不够理想,尤其是在有一定曲率的表面上作业时,粘贴和使用都很不方便,限制了使用范围;而用铝合金封装就很好地解决了这些问题,并且铝蕴藏丰富,所以和铜相比,铝合金更胜一筹;然而从常温下的工程应用方面来看,聚合物比它们两者均有优势,但聚合物作衬底材料在长期使用中会引起蠕变、老化等。

5 封装结构的研发

优化的封装结构能直接提高FBG传感器的测量灵敏度,故封装结构的设计和研发十分重要。方涛等人提出了新型钢条封装结构,其是将FBG用环氧胶黏剂封装于三根钢条之间,并在三根钢条外套上钢管,在钢管中注入导热膏,以加快热传导的速度,在灌胶时应一边加热一边灌,以防止导热膏出现气泡,保证导热的均匀性[11]。FBG的新型钢条封装结构如图7所示。实验表明,钢条封装结构极大地提升了FBG的温度灵敏度系数,且线性度好,热传导速度快。钢条封装使FBG处于环氧胶黏剂之中,保证了其受热膨胀的均匀性,并且不受外部应力的影响,这样的封装结构有利于灌胶。

俞刚等人提出了一种无需预应力的剪刀形支架封装结构,其是将两个V形支架通过中间铰链连接起来,形成剪刀形结构,然后用环氧胶黏剂将FBG粘在两个V形支架的左侧内侧面间[12],如图8所示。实验结果表明,剪刀形支架封装结构可使FBG同时进行温度补偿和调谐,既保持了FBG体积小的优点,又无需给FBG施加预应力,且封装后FBG不产生啁啾,并可与压电陶瓷结合,扩展FBG的Bragg波长的调谐范围,应变量的调节只和金属丝有关,与支架的材料无关,从而大大简化了设计。

虽然上面介绍的两种封装方案在很多方面已有很大进步,但也有不足。钢条封装结构的传感头精度会受到一些因素的影响,并不能保证较高的精度,而且在导热膏灌封时不可避免地会出现气泡;剪刀形支架封装结构的长期可靠性问题有待进一步研究。同时这两种方案还有一个共同的缺陷,那就是使用了环氧胶黏剂。

6 结束语

FBG传感器的应用是一个方兴未艾的领域,有着非常广阔的发展前景,而封装技术是决定FBG传感器能否大规模应用的主要因素,有效而低成本的FBG传感器封装是其大规模应用于实际工程的瓶颈之一。迄今为止,国内外已经有不少相关研究,虽然在结构、材料、黏结剂等方面均有了很大的发展,但是相信随着研究的深入,会有越来越多的精度更高、结构更简单、成本更低、更实用的封装方案提出,更进一步促进FBG传感技术的发展。

参考文献

[1]JUREGUI C,QUINTELA A,L PEZ-HIGUERAJM.Interrogation unit for fiber Bragg grating sensorsthat uses a slanted fiber grating[J].Opt Lett,2004,29(7):676-678.

[2]于秀娟,余有龙,张敏,等.钛合金片封装光纤光栅传感器的应变和温度传感特性研究[J].光电子.激光,2006,17(5):564-567.

[3]禹大宽,乔学光,贾振安,等.贴片封装的光纤Bragg光栅温度传感器[J].仪表技术与传感器,2006,9(9):4-7.

[4]张燕君,王海宝,陈泽贵,等.光纤光栅毛细钢管封装工艺及其传感特性研究[J].激光与红外,2009,39(1):53-55.

[5]周红,乔学光,李娟妮,等.用于光纤光栅封装的环氧胶黏剂纳米改性研究[J].光电子.激光,2009,20(5):590-594.

[6]刘春桐,涂洪亮,李洪才,等.全金属封装光纤光栅的温度传感特性研究[J].传感器与微系统,2008,27(10):58-60.

[7]谢剑锋,张华,张国平,等.封装材料性能对光纤布拉格光栅温度灵敏度影响分析[J].光电子.激光,2008,19(9):1158-1162.

[8]于秀娟,余有龙,张敏,等.铜片封装光纤光栅传感器的应变和温度传感特性研究[J].光子学报,2006,35(9):1325-1328.

[9]刘春桐,李洪才,张志利,等.铝合金箔片封装光纤光栅传感特性研究[J].光电子.激光,2007,19(7):905-908.

[10]周国鹏,张智明.一种新型封装光纤布拉格光栅传感器的研究[J].压电与声光,2008,30(6):680-683.

[11]方涛,金永兴,沈为民.钢条封装的光纤布拉格光栅温度传感器[J].中国计量学院学报,2007,18(3):204-207.

[12]俞钢,何赛灵.一种新型的光纤光栅封装装置[J].光子学报,2004,33(3):291-293.

FBG传感器封装技术的研究进展 篇2

光纤布喇格光栅 (FBG) 是自20世纪90年代以来快速发展起来的一种光电子器件, 被认为是极具发展潜力的新型传感器, 已在光纤通讯、光纤传感等领域得到了极大应用。相对于其他传统传感器, FBG具有如下主要优点:

(1) 灵敏度高。

(2) 可掩埋。

(3) 对电绝缘且抗电磁干扰。

(4) 寿命长。

(5) 复用性好。

(6) 可组成准分布式系统[1]。

但由于玻璃光纤固有的一些特性, 如纤细、易折、易断、易受外界破坏等, 使FBG传感器的应用受限。为了克服这些问题, 需要对FBG进行封装。因此光纤光栅的封装或增敏处理, 成为光纤光栅传感器实用化的一个非常重要的环节。

1、现有FBG封装方法的不足

目前, FBG封装最常用的方法主要有两种:方法1.FBG直接粘贴在基底材料上, 典型的为贴片封装[2]。该方法是采用一种耐高温有机胶将FBG封装于铍青铜基底材料上, 基底材料的线膨胀系数比FBG的大, 以提高其温度灵敏度系数。方法2.利用模具或管材灌封, 典型的为细钢管封装[3]。该方法是将毛细钢管套在FBG上, 中间灌封改性丙烯酸酯, 然后放入烘箱进一步烘干、固化。在不改变FBG应变灵度系数的同时, 提高其温度灵敏度系数, 为FBG在温度测量的应用提供了一个很好的封装方法。由于毛细钢管的直径太小, 不利于改性丙烯酸酯的灌封, 而将FBG粘在基底上的封装方式, 会造成FBG的线膨胀不均匀, 因此这两种封装方法都不是很理想。为了弥补上述方法的不足, 研发人员在封装结构、封装材料以及封装黏结剂方面加以改进, 以期获得更为理想的封装效果。

2、黏结剂的研发

FBG封装时黏结剂的选择十分重要, 若黏结剂的黏结强度不够, 会影响封装的质量、传感器的使用寿命和在恶劣环境中工作的能力。由于环氧胶黏剂黏附力强、收缩率较低、化学稳定性好, 因而在早期研究中有很多研发人员将其用作FBG封装黏结剂。但环氧胶黏剂的玻璃化转变温度较低, 耐温性能较差, 固化收缩所产生的应力较大, FBG粘贴后易出现啁啾效应等缺陷也十分突出;此外, 如直接用环氧胶黏剂在脆性基底材料上封装FBG, 容易拉裂基底材料;还有不容忽视的一点是环氧胶黏剂的添加剂有毒。综上所述, 环氧胶黏剂并不是一种最好的黏结剂, 尚需进一步改进。周红等人提出在环氧胶黏剂中填加纳米SiO2、TiO2和SiC粒子[4], 一方面可提高环氧胶黏剂中共价键的结合力, 另一方面也可提高其交联密度。

刘春桐等人提出了一种全金属封装法, 用焊接技术取代黏结剂[5], 具体封装过程是:先将焊锡置于一小金属盒内, 然后将FBG固定于金属盒的中心轴线位置, 用酒精灯外焰对金属盒加热进行锡焊, 使其将FBG完全封住, 再撤去酒精灯, 待锡块完全冷却至室温, 即完成了对FBG的全金属封装。利用水浴加热法对全金属封装后的FBG传感器进行温度特性的研究, 如图1所示。实验结果表明, 在19~60℃的温度范围内, 全金属封装后的FBG的温度灵敏度系数为34.0 pm/℃, 是封装前的3.3倍, 且有较好的重复性, 可以制作出适合长期使用的高品质FBG传感器。

由此可见, 上述方法虽然仍存在缺陷, 但相比以前的一些封装黏结剂均有了很大的提高, 也取得了不错的效果。

3、封装材料的研发

封装材料的性能参数 (包括泊松比、弹性模量、线膨胀系数及封装厚度) 与FBG材料的性能参数不一致往往会造成FBG封装后的温度灵敏度系数与裸FBG有很大不同。文献[6]表明, FBG温度灵敏度系数随着封装材料的线膨胀系数、泊松比及封装厚度的增大而增大。因此, 采用线膨胀系数较大的增敏材料封装FBG是增加其温度灵敏度系数的有效途径。

刘春桐等人提出了FBG的铝合金箔片封装工艺其采用DG-3S改性环氧胶将FBG粘贴在下基片上刻出的细槽中, 用厚度为0.1 mm的铝合金箔片作为衬底材料[7]。铝合金箔片封装的FBG结构如图2所示。

实验结果表明, 铝合金箔片封装的FBG传感器与裸FBG相比, 应变灵敏度系数提高了1.2倍, 温度灵敏度系数提高了3.02倍, 中心波长的漂移与荷载及温度都具有良好的线性关系, 且有较好的重复性。

4、封装结构的研发

优化的封装结构能直接提高FBG传感器的测量灵敏度, 故封装结构的设计和研发十分重要。李盛等人提出一种在高应力状态下FBG应变传感器的封装研究方案[8], 该方案采用细不锈钢管对光纤布拉格光栅 (FBG) 进行封装, 将封装后的光纤光栅作为应变传感器。预松驰FBG的方式及3段细不锈钢管组合式的封装结构, 提高了FBG的存活性, 保证了传感器的应变有效传递及在高应状态下的工作性能, 方便安装, 适用于实际工程的应用。具体结构见图3。

结构型式1的传力方式为:被测对象→胶体→安装支座→直径2.0 mm封装钢管→端头光纤固定点→FBG;结构型式2的传力方式为:被测对象→胶体→安装支座→端头光纤固定点→FBG。很明显, 结构型式2中由于直径2.0 mm钢管中部被截断, 传力过程中此钢管仅起到保护作用, 结构型式2的实质仅是通过固定支座在直接拉伸FBG本身, 保护钢管仅起到保护光栅免受横向荷载及剪切力的影响。以上2类结构型式在封装FBG时均进行了光栅预推以使在张拉初始阶段FBG松弛不受力。

周国鹏对光纤布喇格光栅 (FBG) 传感器封装技术进行了研究[9], 在这篇文章里, 作者通过对比保护性封装、增敏性封装和温度补偿 (或分离) 等3种光纤布喇格光栅传感器封装的形式与各自的优缺点和应用场合, 探讨了光纤布喇格光栅传感器的封装要点和需要注意的问题。

5、结束语

FBG传感器封装是一个新兴的研究课题, 尤其以开发能稳定、持久工作的传感器为重点。当前国内外有很多研究成果, 国外已能提供多种成品。与国外相比, 国内FBG传感器封装的研究与国外仍有相当大的差距。但是相信随着研究的深入, 会有越来越多的精度高、结构更简单、成本更低、更实用的封装方案提出, 更进一步促进FBG传感技术的发展。

摘要：分析了Bragg光纤光栅 (FBG) 传感器的特点以及一些常用的封装方法.并从封装结构、所选材料以及黏结剂三个不同的角度总结了最近几年来FBG传感器封装的进展情况, 简单阐述了各种方法的机理、实验装置和研究结果, 并对今后的研究方向进行了展望。

关键词：Bragg光纤光栅传感器,封装材料,黏结剂,封装结构

参考文献

[1]J UREGUI C, QUINTELA A, L PEZ-HIGUERA JM.Interro-gation unit for fiber Bragg grating sensors that uses a slanted fibergrating[J].Opt Lett, 2004, 29 (7) :676-678.

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[4]周红, 乔学光, 李娟妮, 等.用于光纤光栅封装的环氧胶黏剂纳米改性研究[J].光电子.激光, 2009, 20 (5) :590-594.

[5]刘春桐, 涂洪亮, 李洪才, 等.全金属封装光纤光栅的温度传感特性研究[J].传感器与微系统, 2008, 27 (10) :58-60.

[6]谢剑锋, 张华, 张国平, 等.封装材料性能对光纤布拉格光栅温度灵敏度影响分析[J].光电子.激光, 2008, 19 (9) :1158-1162.

[7]刘春桐, 李洪才, 张志利, 等.铝合金箔片封装光纤光栅传感特性研究[J].光电子.激光, 2007, 19 (7) :905-908.

[8]李盛, 程健, 丁莉, 等.高应力状态下FBG应变传感器的封装研究[J].武汉理工大学学报, 2009, 31 (12) :113-116

FBG传感器 篇3

FBG传感器与传统的传感器相比具有测量精度高、动态范围大、频带宽并可实现绝对测量以及抗电磁干扰、耐腐蚀的特点，而且光纤体积小、柔软可弯曲，能以任意形式复合于基体结构中而不影响基体的性能[3,4,5]。所以，把光纤传感器埋入混凝土结构中，用于各种参量的测量是比较理想的方法。

传统的方法监测混凝土梁应力状态比较成熟，应用也比较多，但也有局限性，例如无法消除温度影响。本文利用FBG应变传感器监测了钢筋混凝土梁固化和受弯过程中钢筋表面的收缩应变，并利用独立的FBG温度传感器对温度进行了实时监测，有效消除了温度变化对FBG应变传感器的影响，实现了对温度和应变的同时测量，并将结果与常规应变片监测结果进行对比分析。

1 FBG传感原理

FBG是光纤纤芯折射率沿光纤轴向呈周期性变化的一种光栅。目前已有的各类基于FBG传感技术的传感器工作原理均可归结为对FBG中心波长λB的测量，即通过对由外界扰动引起的λB漂移量的测量，得到被测参数。

如图1所示，FBG传感器分布在光纤纤芯的一小段范围内，它的折射率沿光纤轴线发生周期性变化，图1中纤芯的明暗变化代表了折射率的周期变化。

当光纤的入射光波的波长λ满足FBG衍射条件时:

其中，λB为FBG波长;neff为有效纤芯的折射率;Λ为FBG传感器光栅的栅距。

该波长的光波将沿来路发生反射，该反射光就是FBG反射光。当使用一个宽带光源从FBG一端入射，则波长满足式(1)的光波就会发生FBG反射，而其余波长的光波仍然照常传播。图1为FBG的工作原理图，在图1中可以看到，宽带光源的输入光谱在通过FBG传感器1后，形成了波谷峰值为λB1的凹陷，而反射光谱则具有波峰λB1。

当光栅所在处的光纤产生轴向应变ε时，栅距Λ变为Λ':

此时FBG波长产生λB相应的变化Δλ，它满足:

其中，Pε为有效光弹系数，它的值约为0.22。

温度变化会引起光纤折射率的变化，同时也会引起栅距的变化，当温度变化为ΔT时，将引起FBG波长λB产生移动Δλ，可以表示为:

其中，α为光纤的热膨胀系数;ζ为光纤的热光系数。

由式(3)，式(4)得到同时考虑应变Δε与温度变化ΔT时，所引起的波长移动Δλ:

应变量Δε，ΔT可以与很多物理量联系在一起，如温度、湿度、位移、压力、电磁力、流量、振动和转动等，因此式(5)是FBG传感技术的基本理论基础。

2 FBG传感器类型及工作特性

本实验采用两种FBG传感器，分别为贴在钢筋上的裸光栅传感器和自制管式封装FBG温度传感器。钢筋上的裸光栅传感器同时受温度和应变影响，而管式封装FBG温度传感器仅受温度影响[2]。自制管式封装FBG温度传感器如图2所示。

对于埋入混凝土中的FBG传感器灵敏度分别用水浴法和钢筋拉伸实验测定，求得FBG温度传感器和钢筋传感器灵敏度系数。温度曲线和应变曲线见图3，图4。图3，图4中R为拟合曲线与原始数据相关系数，从图中可以看出，温度传感器与钢筋传感器波长变化与温度和应变呈线性关系，相关性达99.9%以上。可得灵敏度系数分别为0.009 97 nm/℃，1.088με/pm。

3 混凝土梁固化和受弯监测实验数据分析

3.1 混凝土固化实验

本实验在室外进行监测，监测时间为混凝土浇筑后0 h～24 h，因为难以避免外界温度对监测结果的影响，所以同时需要对外界温度和混凝土内部温度进行监测。在24 h内，每小时采集一次数据。

图5中曲线为混凝土固化时传感器时间与波长关系曲线。其中1,3,4号曲线为实际测得的曲线，分别为总的波长变化曲线和混凝土内外温度补偿;通过计算可以得到2,5号曲线，5号曲线为消除外界温度影响，在水化热影响下传感器波长变化;2号曲线为消除水化热和外界气温影响传感器受到应力变化产生的波长变化曲线。由图5中4号曲线可以看出，一天中昼夜温差较大，温度的变化是波长变化的主要因素。5号曲线表明，混凝土内部水化热的温度是逐渐上升的，浇筑后15 h后达到最高，温度变化造成最大20 pm左右的波长变化差，因此传感器周围环境温度变化对应变监测的影响很大，必须对FBG传感器进行温度补偿。因为当波长减小时，钢筋处在收缩应力状态，所以从5号曲线可以看出，混凝土在固化过程，钢筋应力始终是收缩应力。

监测是从下午2点开始，几乎是一天的最高温度，因为水化的温度影响小于外界温度产生的影响，所以随着气温的下降，传感器监测的总的波长也开始下降，在清晨6点达到最低点，之后随着气温的升高，波长也随之升高。

3.2 混凝土受弯实验

利用三分点加载方法对试验梁进行以2 k N为步长的分级加载直至试验梁破坏，实验加载如图6所示，Y1～Y5为手持应变仪测试点。因为在两个加载点之间弯矩相等，该区域内受拉钢筋应变近似相等。Y5所对应的位置与钢筋位置水平，把手持应变仪Y5测试数据与FBG和应变片进行比较分析，实验数据曲线见图7。

从图7中可以看出，混凝土梁前期弹性变形阶段应力线性增加，当达到第2级荷载时混凝土开裂，钢筋应力变化加快，图7中各曲线很好的反映了这一状况。当达到7级荷载时混凝土临近破坏，达到8级荷载时，混凝土梁完全破坏，钢筋应变片和手持应变仪读数发生跳跃增加，而FBG读数在这期间表现了一定的滞后性。手持应变仪Y5总体应变与理论值趋势吻合，保持一个良好线性增长，当混凝土达到破坏，应变急速增加。钢筋电子应变片在加载各个时期保持一个良好线性曲线，但1,2号点测得的数值差异比较大，可能在安装固定时候造成的。两组FBG传感器的读数变化趋势一致，读数相近，两曲线保持了很好的相似性，可以看出用FBG传感器进行监测相比传统监测方法稳定性更好，但后期混凝土临近破坏时，可能由于FBG和应变片的相对位置不同，裂缝集中产生的区域，钢筋应力增加较快，导致FBG的读数产生了滞后性，这不影响FBG读数的准确性。

由于前期加载时候，混凝土没有开裂，处于弹性阶段，应力都是由混凝土承担。钢筋的应力应变等于该截面混凝土的应力应变。

混凝土达到极限破坏时，受拉区拉力全由钢筋承担，Ⅱ级热轧钢筋fy=210 N/mm，钢筋微应变达到1 000时屈服。

从表1中可以看出在弹性阶段，FBG测得的值虽比理论值略小，但处在合理范围。在7级荷载时混凝土临近破坏，钢筋达到1 000με时屈服，FBG监测值都接近理论波长变化值1 200 pm，而其他监测方法差别较大。说明钢筋FBG监测比传统监测方法更为准确，而且稳定性更高。

图7中各条曲线，在混凝土梁发生破坏前，除了1号点的钢筋应变片读数，其他测得的数据应变曲线趋势良好，与理论应变曲线相对吻合。当混凝土达到破坏，有明显的应力突变的过程。

4 结语

本文介绍了一种用于混凝土内部钢筋应变监测的FBG传感器，分析了光栅传感器原理，进行了混凝土固化和受弯实验监测。通过实验，可以得到以下结论:

1)自制的温度传感器与钢筋传感器波长变化与温度和应变呈线性关系，相关性达99.9%以上。灵敏度系数分别为0.009 97 nm/℃，1.088με/pm。

2)FBG传感器对温度感应很灵敏，在监测混凝土固化时，由于受到外界气温和水化热温度影响，需要对FBG传感器进行混凝土内外温度补偿。

3)钢筋应力监测时，将FBG钢筋应力传感器埋入到钢筋混凝土梁中，监测受拉区钢筋应变。通过温度与应变的同时测量，可以得到受水化热影响钢筋应力曲线和消除温度影响的钢筋应力变化曲线，可知混凝土在固化过程中，钢筋应力始终是收缩应力。

4)FBG传感器和常规方法相比，监测曲线和理论值曲线趋势变化一致，FBG读数相近。用FBG传感器监测稳定性更佳，更容易接近真实值。可以应用到混凝土梁中，作为混凝土结构进行长期监测的一种可靠技术。

摘要：采用自制的光纤光栅技术的温度传感器,监测混凝土梁24 h固化过程内部温度以及钢筋应力情况,监测混凝土梁受弯条件下应变变化规律,并与应变片和手持应变仪进行对比,实验结果表明:在使用光纤光栅对混凝土固化期收缩应变监测时必须考虑温度的影响,进行温度补偿。

关键词：光纤光栅,混凝土梁,温度补偿,固化,应变

参考文献

[1]李志刚,唐小平,孙芦中.基于光纤光栅传感器的混凝土梁应变检测[J].解放军理工大学学报,2005,6(6):8-9.

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[3]赵雪峰,田石柱.基于封装光纤Bragg光栅传感器的混凝土应变监测试验研究[J].光学技术,2003,29(4):11-15.

[4]于秀娟.FBG用于钢筋混凝土结构健康监测的若干关键问题研究[D].哈尔滨:黑龙江大学,2006.

FBG传感器 篇4

湿度的准确测量对于工农业生产、环境监测、食品安全等领域都有着重要的意义。为了满足这些应用需求,市场上已有很多成熟的电学式湿度传感器产品,例如电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器。虽然电学式湿度传感器具有测量精度高、响应速度快等优点,但长期稳定性及互换性较差[1],并且在某些特殊的应用场合(例如强电磁环境、油气监测环境)中会失效,甚至会引发安全事故。

光纤湿度传感器具有体积小、重量轻、电无源、不易受电磁干扰等优点,可以从根本上解决易燃易爆环境中的湿度测量问题。近年来,国内外涌现了大量光纤湿度传感器的报道,其中基于光纤布拉格光栅(FBG)的湿度传感器性能较为突出,FBG湿度传感器具有波长编码的特点,不受功率波动、系统损耗影响,能够满足各类应用场合下的环境湿度测量[2,3,4,5]。但在不同温度、湿度环境下光纤湿度传感器具有不同的温度、湿度灵敏度系数,这影响了其湿度测量精度。

为了提高光纤湿度传感器的湿度测量精度,本文采用聚酰亚胺湿敏薄膜作为裸(剥离涂覆层)FBG的涂覆层,通过湿敏薄膜吸湿、膨胀,改变FBG中心波长来监测环境相对湿度,同时采用另一根裸FBG作为温度传感器来补偿湿度传感器,从而实现温度、湿度双参量传感的目的。此外,本文对FBG温度和湿度双参量传感器在不同温度、湿度环境下的温度、湿度灵敏度系数进行了详尽的实验研究,并用于温度、湿度标定,提高了传感器的探测精度。

1 传感原理

FBG是利用特定的写入方式在光纤纤芯上沿轴向形成周期性调制的折射率,它具有波长选择的特性,可以对注入的宽带光信号滤出特定中心波长的窄带光信号,并满足如下关系:

式中:λB为布拉格波长,即FBG中心波长;neff为光纤纤芯有效折射率;Λ 为光栅周期。其中,neff和 Λ易受温度和应变的影响,导致FBG中心波长变化,FBG正是利用此特性对温度、应变进行传感,其满足如下关系:

式中:ΔλB为因温度、应变导致的FBG中心波长变化量,Pe为光纤的弹光系数,α 为光纤的线膨胀系数,ξ为光纤的热光系数,ε为应变,ΔT为温度变化。

图1为专门设计的FBG温度和湿度双参量传感器结构示意图。采用相位掩膜板法,经过248nm准分子激光器在剥离涂覆层的裸光纤上曝光刻写了两个FBG,其中FBG1为未做任何处理的温度传感器,而FBG2为涂覆了聚酰亚胺湿敏薄膜的湿度传感器。当环境相对湿度(RH)发生变化时,FBG2湿敏薄膜的湿膨胀程度也会随之发生变化,从而改变FBG2的轴向湿膨胀应变,导致FBG2中心波长λB2发生漂移,同时环境温度变化也会改变FBG2的中心波长 λB2。 此时,不受湿度影响的温度传感器FBG1提供环境温度T的变化量ΔT,以补偿湿度传感器FBG2,解决湿度传感器FBG2温度、湿度交叉敏感的问题,同时实现温度、湿度双参量传感。

整个工作过程可以由以下关系式描述:

式中:为FBG2的相对湿度灵敏度系数,单位为pm/(RH 1%);分别为FBG1、FBG2的温度灵敏度系数,单位为pm/℃;ΔHR为环境相对湿度HR的变化量。可见,FBG2的和分别为T和HR的函数,而FBG1对于湿度不敏感,故在不同湿度下都保持不变,是个恒定值。

2 标定实验及结果分析

2.1 标定实验原理

为了对所设计的FBG温度和湿度双参量传感器的进行标定,首先根据式(3)得到的变化量 ΔHR、ΔT与波长变化量 ΔλB1、ΔλB2的函数关系式:

然后将式(4)中的Δ值都替换为实测值,可得:

式中:分别为HR0、T0时FBG1、FBG2的中心波长。最后,将在不同的T、HR下监测FBG温度和湿度双参量传感器中FBG1和FBG2的峰值波长λB1和λB2代入式(5),便可计算出FBG温度和湿度双参量传感器的温度、湿度实时值。图2示出了典型的FBG温度和湿度双参量传感器光谱。

2.2 标定实验设计

在FBG温度和湿度双参量传感器的温度和湿度标定实验中采用涂覆机对FBG2进行聚酰亚胺涂覆,涂覆层数为4层。图3示出了FBG温度和湿度双参量传感器的温度和湿度标定实验系统的装置。FBG温度和湿度双参量传感器经光纤跳线连接MOI-SM125波长解调仪。为了得到完整的温度和湿度标定环境(T=5~50 ℃、HR=10%~100%),实验时先将FBG温度和湿度双参量传感器置于芬兰Vaisala公司生产的HMK15湿度校准仪内饱和盐溶液上方,由该湿度校准仪提供HR=10% ~100%范围内6个不同湿度点,然后将两者一起放置在温度可调节的密闭恒温水槽中,以获得稳定的温度,由该恒温水槽提供T=5~50 ℃范围内10个不同的温度点。同时,HMK15 湿度校准仪上方插入HM40温湿度计,观察HMK15湿度校准仪中实时的温度、湿度。待温度、湿度稳定后,通过与MOI-SM125波长解调仪配套的计算机LabVIEW软件读出FBG1与FBG2 的波长值λB1和λB2。HMK15湿度校准仪是基于饱和盐溶液法提供6个不同湿度点,表1示出了6种不同饱和盐溶液在不同温度下的HR值。

%

2.3 标定实验结果分析

在FBG温度和湿度双参量传感器的温度和湿度标定实验过程中,通过改变恒温水槽的温度及选择不同饱和盐溶液获得T=5~50 ℃、HR=10%~100%范围内总计60个稳定的温度和湿度点,以此获得对应的60组λB1、λB2值。由于FBG1只受温度影响,不受湿度影响,而FBG2同时受温度和湿度的影响,通过对FBG2在不同温度下的相对湿度响应曲线进行线性拟合,得到(即一次项系数)和线性度(R-Square),如图4所示。可见,在10个不同温度点下,FBG2 的湿度响应曲线的线性度较高(≥0.996),随着温度的升高呈现出比较规律的减小趋势,这一趋势也可以从图5中非常容易地看出。

同样通过对FBG1、FBG2在不同湿度下的温度响应曲线进行线性拟合,得到(即一次项系数)和线性度(R-Square),如图6所示。由于HR的改变是通过选择饱和盐溶液来实现的,而同一种盐溶液在不同温度点下的HR是不同的,因此需要利用上述计算出的来对记录下的波长进行微调,以达到控制HR的目的。 由图6 可见,FBG1因其湿度不敏感特性,在各个湿度点下的温度响应都表现一致,显示为一条曲线;FBG1的比FBG2的略小,这是因为FBG2的聚酰亚胺涂覆层热膨胀造成了额外应变,使FBG2的中心波长出现漂移;FBG2的规律性地随着HR减小而增大,从HR=98.4%时的11.29pm/℃升至HR=12.8% 时的12.09 pm/℃,增量约为7%。

上述湿度传感器FBG2的温度、湿度灵敏度系数的实验研究结果表明,在不同温度、湿度环境下,湿度传感器的温度、湿度灵敏度系数是不同的。如果在T =47.9 ℃、HR=98.4% 的环境下,使用6.6 ℃时的湿度灵敏度系数进行湿度计算,其结果会与真实值差13%;而在T=25 ℃,HR=98.4%的环境下,使用HR=12.8%时的温度灵敏度系数进行温度计算,其结果会与真实值差7%,而每5 ℃的温度变化就会带来1% 的HR误差。 因此,采用和函数对FBG温度和湿度双参量传感器标定能够获得比以往光纤湿度传感器更高的湿度测量精度。

2.4 长期稳定性实验结果和分析

长期稳定性是衡量传感器的重要指标之一。我们将标定完毕的该FBG温度和湿度双参量传感器放在图3所示的温度、湿度环境中,选取某个固定的温度、湿度点(T=25 ℃,HR=38.2%),每隔2~3d记录一次FBG1和FBG2的λB1、λB2值,共记录100d,如图7所示。可见,该FBG温度和湿度双参量传感器的温度传感器FBG1的λB1最大变化为5pm,对应的T稳定性为0.5℃/(100d);湿度传感器FBG2的λB2最大变化约为10pm,对应的HR稳定性约为3%/(100d)(按最小湿度灵敏度系数算)。

3 总结与展望

采用饱和盐溶液湿度标定法对所设计的FBG温度和湿度双参量传感器进行了标定实验研究,利用实验测得的温度、湿度灵敏度系数对FBG温度和湿度双参量传感器进行标定,以提高传感器的温度和湿度探测精度。长期稳定性实验研究表明,该FBG温度和湿度双参量传感器具有良好的线性度与长期稳定性。由于饱和盐溶液湿度标定法无法快速切换湿度点,无法研究该传感器的响应速度,因此在该传感器投入实际使用前,还需要对其响应速度进行详细地研究及验证,后续的响应速度研究可以在温湿度检定箱中展开。

摘要：介绍了一种用聚酰亚胺湿敏薄膜制成的光纤布拉格光栅(FBG)温度和湿度双参量传感器,并采用了饱和盐溶液湿度标定法对其开展了不同温度、湿度环境下的标定实验研究,确定了该传感器的温度、湿度灵敏度系数。同时,实验研究显示该传感器具有良好的线性度与长期稳定性,最后讨论了该传感器投入实际应用所需的进一步研究及改进。

关键词：传感器,光纤布拉格光栅,温度,湿度

参考文献

[1]张向东,李育林,彭文达,等.光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现[J].光子学报,2003,32(10):1166-1168.

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[4]RAJAN G,NOOR Y M.A fast response intrinsic humidity sensor based on an etched single-mode polymer fiber Bragg grating[J].Sensors&Actuators A:Physical,2013,203(1):107-111.

FBG传感器 篇5

在坑井挖掘多参数测量检测中发现,FBG传感器较脆易引起断裂和破坏,另外受周围环境影响导致信号特别敏感易变,因此在测量中采用把复合物和金属物镀在传感器表面来保护光纤传感器,使FBG能正常工作,这种改进方法称为光纤镀层。光纤镀层传感器比无镀层传感器有诸多优点:能大大提高光纤的耐久力;防止测量信号受到环境噪音影响;更重要的是能大大提高测量的灵敏度[1.2]。现在研究具有高灵敏度传感器是一大热门,但是镀层传感器的灵敏度与镀层的厚度、材料属性以及测量参数之间有什么关系,该如何确定,现在还没有统一的定论。一般是通过多次实验来选定较为合适的材料和镀层厚度,为此本研究结合应用理论与实验,研究了一种确定光纤镀层传感器测量温度的最佳镀层厚度和材料属性的方法。

1 理论分析

1.1 FBG传感原理

FBG对满足以下Bragg定理的光波进行反射[3]:

λB=2neffΛ (1)

式中:neff为有效折射系数;Λ为光栅间距。

1.2 镀层厚度计算

1.2.1 无镀层FBG测量温度公式

当环境温度发生变化 时,由于:

ΔλB=2ΛΔneff+2neffΔΛ (2)

则由热膨胀效应引起的光栅周期变化:

ΔΛ=αΛΔT (3)

由热光效应引起的有效折射率变化:

Δneff=neffξΔT (4)

最后可得:

ΔλBT=λB(α+ξ)ΔT (5)

式中:α为热膨胀系数,undefined为热光系数。

1.2.2 有镀层FBG测量温度公式

以镀2层不同材料和不同厚度的光纤镀层为例,如图1所示。根据胡可定律和牛顿定律,得到光纤和各镀层间的径向位移为[4,5]:

u01(t)=-α0ΔT(t)(1+v0)r0-δ01p1(t)r0 (6)

undefined

其中:u01(t)、u11(t)分别代表光纤与第一层镀层的径向位移和第一层与第二层间的径向位移,p1(t)代表各层间的径向应力。由于要求u01=u11、p1(0)=0、t=0,于是得到轴向应力为:

σZ1(t)=ΔT(t)[2v1(A1rundefined-A2rundefined)/(rundefined-rundefined)+E1α1],r0≤r≤r1 (8)

σZ2(t)=ΔT(t)[2v1A2rundefined/(rundefined-rundefined)+E2α2],r1≤r≤r2 (9)

令m=α1(1+υ1)-α0(1+υ0),n=α2(1+υ2)-α1(1+υ1) (10)

undefined

undefined

由于FBG长度的改变是因外界温度变化导致FBG轴向应力发生变化所引起的,根据胡可定律和牛顿定律得到轴向应变为:

undefined

根据FBG测量原理undefined,可知 εZ是光纤长度改变的一部分undefined,故可得:

undefined

2 实验测量

实验中采用1530nm的反射波长,ASE宽带光源,用高能量激光通过相位掩模照射光纤在中心生成FBG传感器,用位相干涉仪进行信号解调,由于信号解调有三相,需要3个光检出器把光信号转化为模拟信号,信号再经A/D转换器转换为数字信号,再将数字信号输入到电脑里[6]。无镀层FBG半径r0为62.5μm, 测量系统如图2所示。实验中用FFT(快速傅立叶变换算法)进行A/D转换,并编写程序求出温度变化与引起波长漂移间的关系。

为了获得较高的精确度和良好的线性关系,把FBG放入持续加热的烤箱中来测量温度。由于给FBG表层镀金属技术难度较大,而实验中需要比较多个镀有不同材料和厚度的FBGs,为了降低成本,实验中采用FBG插入不同尺度的金属套管,中间用环氧树脂粘贴,这样可将FBG传感器温度灵敏度的测量研究转换为被镀两层材料FBG的温度灵敏度研究。因为第一层镀的是环氧树脂,第二层是金属套管。第一层的厚度与金属套管尺度有关。图3为实验中不同材料和镀层厚度FBGs波长漂移与温度变换间的关系。图3中出现的材料及厚度表示含义如下:Sust代表纯铁,Bst代表纯铜,Cut代表黄铜,(0.3×0.15)对应(r2×r1),表示第一层厚度为150-62.5=87.5μm,第二层厚度为300-150=150μm,其他依次对应。

以下为理论与实际数据的比较。前者是理论数据,后者是实验数据:无镀层 FBG的温度灵敏度是10.15pm/℃,2.64pm/℃;(0.3mm×0.15mm)黄铜的是49.35pm/℃,33.79pm/℃;(0.35mm×0.15mm)黄铜的是43.25pm/℃,31.29pm/℃;(0.3mm×0.15mm)纯铜的是38.67pm/℃,17.15pm/℃;(0.4mm×0.15mm)纯铜的是32.22pm/℃,32.59pm/℃;(0.3mm×0.15mm)纯铁的是35.98pm/℃,37.398pm/℃。

图4为理论与实验温度灵敏度的比较曲线(其中材料1#表示无镀层 FBG,2#表示(0.3mm×0.15mm)黄铜,3#表示(0.35mm×0.15mm)黄铜,4#表示(0.3mm×0.15mm)纯铜,5#表示(0.4mm×0.15mm)纯铜,6#表示(0.3mm×0.15mm)纯铁)。由图4可知,2条曲线变化基本一致,表明理论公式推导正确,并且温度灵敏度提高了3～20倍。

由图4可知,当材料为(0.3mm×0.15mm) 纯铜时,温度灵敏度变化有较大的不同,这可能由以下原因造成:(1)环氧树脂涂抹不均匀,而且无法保证各层间有很好的接触;(2)各测量FBG和参考温度计所处环境温度有可能不同;(3)在测量过程中可能受到其它参数的影响;(4)纯铜属性决定,由于很软,有可能引起FBG变形。

但从2条温度灵敏度变换曲线上看,改变趋势一致。这说明理论推导公式基本正确,可以根据变换曲线选出具有最佳灵敏度的材料和厚度。

3 结论

本文依据弹性力学、光栅传感器等理论知识推导出镀层FBG的温度灵敏度公式,并结合实验进行验证和比较,可知理论和实验曲线变化基本一致,通过数据比较得出温度灵敏度提高了3～20倍;同时给FBG金属镀层可以提高光纤传感器的机械强度,保证FBG传感器信号的准确性。利用本研究成果使用户可以根据实际测量环境结合温度灵敏度理论公式选择出合适的材料和最佳厚度。温度灵敏度理论公式为以后此类传感器的设计加工具有指导意义。

摘要：主要研究了金属镀层材料和镀层厚度对FBG传感器温度灵敏度的影响。从理论上根据弹性力学、光栅传感器理论并结合材料的物理属性求出FBG传感器温度灵敏度与镀层材料属性和厚度之间的关系。实验数据表明,金属材料和厚度理论变化曲线与实验变化曲线一致,并且FBG传感器灵敏度也提高了3～20倍。

关键词：FBG传感器,温度灵敏度,金属镀层

参考文献

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[2]山手勉,Ramos R T,Schroeder R J.用光纤传感器进行油井探查[J].Optronics,2000,3(2):112

[3]Rao Yunjiang.In-fiber Bragg grating sensors[J].Sci Te-chn,1997,8:355

[4]戴锋,黄国君.一种布拉格光纤光栅加速度传感器[J].激光杂志,2005,26(1):26

[5]Liu Y,Gou Z,Zhang Y,et al.Simultaneous pressure and temperature measurement with polymer-coated fiber Bragg grating[J].Electro Lett,2000,36(6):564

FBG传感器 篇6

光纤光栅传感器是用光导纤维来感受各种物理量并传送所感受信息的技术, 研发和应用至今三十多年, 发展迅速、种类丰富、应用领域广泛。其中, 基于光纤布拉格光栅 (FBG) 技术的传感器应用最广。光纤光栅传感器自身不产生辐射、不发热、不产生火花, 且不受外界电磁辐射的干扰, 可安装在物体的表面或内部, 连续地对诸如应变、应力、位移、裂缝、孔隙压力、温度等物理量进行监测[1]。光纤光栅传感器的技术和材料特性决定了其与传统的其他种类的传感器相比有很多优点: (1) 测量对象广泛, 适于多种物理量的观测; (2) 体积小、质量轻、非电连接、无机械活动件, 不影响埋设点物性; (3) 耐水性、电绝缘好, 耐腐蚀, 抗电磁干扰; (4) 频带宽, 有利于超高速测量; (5) 使用寿命长。这些优点使得各领域都在不断引进光纤光栅传感器技术, 并持续开发利用, 其发展空间非常广阔。

多数尾矿库设置在山谷地区, 当雷云随着季风从山谷穿越时, 山谷内的突出物很容易引起雷云对其放电, 成为主要的雷击目标[2]。尾矿库在线监测系统的硬件组成主要是电子设备, 而且安装点多数设置在野外突出部位, 极易受直击雷威胁, 很容易受到大量感应雷和雷电波的入侵破坏[3]。如果充分利用抗电磁干扰能力强、抗雷击的光纤光栅 (FBG) 传感器, 可以大幅度减少尾矿库在线监测系统传感器受到的雷击和电磁干扰破坏, 提高系统的稳定性, 减少系统维护成本。

1 光纤光栅传感器及其测量系统简介

根据相关规范, 尾矿库在线监测系统包含的监测项目主要有尾矿坝坝体位移 (包括表面位移和内部位移) 、浸润线、干滩、库水位、降雨量、渗流量等[4], 从目前可以实际使用的相关光纤光栅传感器产品看, 适合尾矿库在线监测系统使用的光纤光栅传感器有:坝体竖向位移 (沉降) 可采用光纤多点位移计监测, 浸润线或库水位可采用光纤渗压计监测, 渗流量可以采用光纤液位计监测。下面以光纤光栅渗压计为例说明光纤光栅传感器原理。

光纤光栅渗压计的结构如图1所示, 渗水石安装在渗压计前端, 阻止杂质进入测量腔体, 敏感元件光纤光栅埋在聚氨脂 (弹性体) 中。监测点处的水经渗水石的过滤进入渗压计内部的腔体中并作用在聚氨脂上, 聚氨脂受压引起光纤光栅周期改变, 这样就会使通过光纤光栅的反射光波长发生改变, 经过解调器解调就可测出水压值[5]。由于光纤光栅还受温度的影响, 一些光纤光栅渗压计内设置温度补偿光栅。

光纤光栅渗压传感器、解调器及计算机等组成光纤光栅测量系统, 光纤光栅将载有待测信息的信号 (波长值变化) 经由光缆传输到解调器, 解调器将解调出的波长值显示在计算机或嵌入式电脑上, 并以变化趋势线的形式直观显示[6]。下面以FBG8600型光纤光栅解调仪为例, 简单说明解调仪的原理及结构。

FBG8600型光纤光栅解调仪采用全光谱运算技术, 主机通过光谱的特征来计算光纤光栅传感器波长, 要求每个光纤光栅的中心波长存在一定的差值, 每个光纤光栅传感器同时感知环境的变化, 从而产生中心波长的改变。

FBG8600主机采用高速数字处理芯片进行数字处理技术, 这种处理技术可以快速处理光谱数据和波长数据。同时采用光学标准具及标准波长进行双重校准, 保证系统物理量测量的准确性和稳定性。其主机设计包括的基本配置:光源模块, 光纤分束模块, 光探测模块, 波长处理、信号输出、电源等部分组成[6], 如图2所示。

光纤光栅传感器测量系统采用波分复用技术的测量原理, 因此一条单模光纤上可串接多只传感器, 传感器的数量取决于光纤光栅的中心波长间隔, FBG8600的典型波长间隔是0.5nm, 一条单模光纤上最多可以串接80个传感器, 满足分布式测量网络的布设要求。

2 光纤光栅传感器在尾矿库安全在线监测系统中的应用

某尾矿库为山谷型, 全库容936.22万m3, 总坝高110m (初期坝30m, 堆积坝高80m) , 属Ⅱ等库。尾矿库初期坝为碾压式砂土混合加筋坝, 坝体净高30m, 坝长89.19m, 坝宽4m, 内外坡均为1:1.75, 初期坝外表面均采用干砌块石护坡。尾矿堆积坝采用上游人工堆筑, 为砂土混合堆筑子坝, 最终堆积标高800m, 坝长500m, 堆积坝净高80m, 整体堆积坝外坡比1:3。初期坝下游30m处设置集渗池, 库后设置排水井回水, 排水涵洞出口设置在集渗池附近。

2011年5月开始建设尾矿库安全在线监测系统, 建设内容为:坝体表面位移监测、内部位移、浸润线监测、干滩监测、库水位监测、降雨量监测、渗流量监测、视频监控等内容。2011年9月项目竣工, 系统运行至今, 性能稳定。

2.1 在线监测系统总体架构

为提高尾矿库安全在线监测系统的抗干扰性和抗雷击性能, 系统设计方案中尽可能选择工艺成熟的、适合尾矿库在线监测的光纤光栅传感器及其测量系统[7,8]。经方案比对和各种光纤光栅传感器工艺成熟度比较, 确定采用光纤多点位移计用于监测坝体竖向位移 (沉降) 、采用光纤光栅渗压计监测坝体浸润线和库水位、采用光纤光栅液位计监测渗流量[9]。干滩和降雨量监测采用传统监测设备。系统主通信线路采用光纤通信, 数据采集及管理发布等系统服务器布设在现场或监控中心, 形成远程数据采集和监控。这样, 以光纤光栅传感器为主要采集设备的数据采集层、以光纤解调仪和用作数据采集存储的工控机为主要设备的现场监测数据管理层、以服务器和大屏幕为主要设备的数据分析、展示和发布层形成尾矿库在线监测系统的三级架构。如图3所示, 主要监测项目采用光纤光栅传感系统的尾矿库安全在线监测系统结构图。

2.2 在线监测系统设备配置及拓扑结构

该尾矿库在线监测系统监测项目中, 浸润线监测设置3个监测断面, 每个监测断面设置5个监测点, 共计15个浸润线监测点, 传感器采用光纤光栅渗压计;内部位移设置1个监测断面, 3个监测垂线, 每个监测垂线设置2个传感器, 共计配置6个位移传感器, 采用光纤光栅多点位移计, 监测坝体竖向位移 (沉降) ;库水位设置1个监测点, 采用光纤光栅渗压计;渗流量监测设置一个监测点采, 采用光纤光栅液位计;干滩监测设置3个高程监测点, 采用超声波物位计;降雨量监测设置1个监测点, 采用容栅式雨量计。在线监测系统的网络拓扑结构见图4。

2.3 监测设备实施方法及安装方式

1) 浸润线及内部位移监测施工及安装方法

浸润线传感器采用钻孔加测压管安装方式, 渗压计安装在测压管内。钻孔深度 (8~15) m不等, 孔径110mm。测压管采用直径50mm PE管制作, 距孔底1.5m为打孔段 (制作花管) , 打孔段外包土工布。测压管安装时, 反滤层深度、反滤料粒度等应满足规范要求。实际施工中, 根据坝体情况采用干净的粗砾作为反滤料回填2m, 上部用原质土回填, 孔口1.5m深混凝土止水。光纤光栅渗压计传感器量程17m, 安装在测压管底附近, 孔口固定装置固定传感器线缆和钢丝。线缆穿PVC管保护。

内部位移传感器采用钻孔安装方式, 钻孔深度 (15~20) m不等, 孔径150mm。传感器锚头混凝土砂浆固定, 传感器PVC管保护, 孔内灌浆。孔外线缆穿PVC管保护。

2) 库水位及渗流量监测施工方法

库水位监测采用光纤光栅渗压计, 采用测压管保护安装方式, 便于维护。渗流量采用量水堰加液位计方式测量, 传感器采用光纤光栅液位计, 浸入式安装, 线缆穿镀锌钢管保护。

3) 供电、通信线路施工方案

在线监测系统由现场值班室统一供电, 设置EPS应急供电系统, 保证系统不间断供电。通讯主线路采用光缆通信, 坝外线路采用供电与通讯线路并杆架设, 坝内线路采用地埋敷设, 穿PVC管保护, 根据需要设置线路检修孔。

4) 防雷防浪涌措施

尾矿库在线监测系统的防雷防浪涌措施是保证系统稳定运行的关键, 主要通过以下几种措施保证系统的防雷防浪涌。

(1) 在库水位、坝体外坡底部、坝肩值班室、坝顶等处设置4个接地网, 附近设备就近接地; (2) 光缆吊线、电缆PE线与各接地网可靠电气连接, 形成整个库区的接地等电位; (3) 设备防护箱内部设置汇流排, 设备等电位后通过汇流排一点接地; (4) 值班室内部设备通过值班室总等电位端子箱等电位; (5) 值班室电源系统设置三级防雷, 配备三级浪涌保护器; (6) 室外防护箱内设置相应防护等级的电源和数据信号浪涌保护器。

2.4 运行效果

系统自2011年9月竣工验收至今, 光纤光栅传感测量系统一直稳定运行, 采集数据准确, 设备维护量很小。

为了检测光纤光栅传感器在线监测的准确性和稳定性, 分别在2011年和2013年的两个时间段对浸润线在线监测数据进行人工对比检测。具体做法是: (1) 每天人工测量浸润线埋深1次, 每次人工测量浸润线埋深3次, 取均值作为测量时段的浸润线人工监测数据。 (2) 取当天人工测量浸润线时间段 (半小时) 内该测量点的所有浸润线在线监测数据, 取均值。 (3) 将人工数据与在线监测数据进行对比。对比结果如图5所示。

在所有浸润线在线监测数据与人工测量数据对比中, 同一浸润线监测点在同一时段的人工监测和在线监测的最大差值不大于5cm, 证明光纤光栅传感器的监测精度和稳定性满足现场监测使用要求。

2.5 问题及建议

通过该项目安装和运行过程的实际考察, 光纤光栅传感器测量系统整体运行稳定, 测量数据准确, 表现出良好的抗电磁干扰和抗雷击性能, 但也存在一些问题, 影响其推广应用。

1) 传感器数据的传输要求光纤线路的损耗很低才能保证传感器数据的准确测量, 对光纤熔接质量要求高, 要求操作人员有较高的技术水平, 并保证现场施工条件, 同时, 专用的熔接设备费用昂贵。如果采用非现场熔接的连接器件, 会增加传输线路的光能损耗。这个问题建议在方案设计时, 根据现场的传感器数据传输线路的接点数量和每根光纤串联的传感器数量计算光纤线路综合损耗, 通过计算选取连接方式, 并在施工中加强线路敷设的规范性、提高光纤熔接的质量。

2) 光纤光栅传感技术发展时间较短、理论性能验证时间不足, 理论上其使用寿命长, 但没有具体的试验验证。尾矿库的使用寿命一般在5~20年之间, 光纤光栅传感设备能否长时间稳定运行还需要进一步的验证[7,8]。

3) 波分复用系统的主要缺点是由于WDM的插入损耗减小了系统的可用功率, 信道间的串扰也会恶化接收机的灵敏度[10]。该系统采用解调仪的波长范围是1520nm~1570nm, 每个通道可以连接的FGB传感器数据的理论值是80支, 但实际使用中考虑光缆线路的损耗和串扰等问题, 建议每通道连接FGB传感器的最大数量不宜超过25支, 同时在传感器采购时要求厂家配置不同波长的传感器, 以便保证每个通道传感器之间的波长匹配, 减少串扰的机率。

3 结语

1) 实际工程使用情况证明, 光纤光栅传感器的稳定性、抗电磁干扰和抗雷击性能好于同类其他技术产品。

2) 光纤光栅传感器在实际使用中对安装条件和安装技术水平的要求高于其他产品, 尤其是光纤光栅传感器的外部光纤熔接质量要求较高。

3) 光纤光栅传感系统的价格是制约其推广使用的主要因素, 尤其是在小型尾矿库在线监测系统中, 如果光纤光栅传感器使用数量较少, 传感器和调整解调系统的价格相对整个系统价格较高, 影响整个系统的性价比。

摘要：光纤光栅 (FGB) 传感器已经广泛应用于水利工程监测中, 在尾矿库在线监测系统中的应用也在逐步增多。为提高某尾矿库在线监测系统的抗干扰和运行稳定性, 某尾矿库在线监测系统工程采用以光纤光栅传感器作为主要采集设备。应用结果表明:光纤光栅传感设备的突出优点是运行稳定性好、抗干扰能力强, 测量精度满足使用要求;明显不足是安装条件要求高, 前期投入较高。

关键词：FGB传感器,尾矿库,在线监测,浸润线

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FBG传感器 篇7

随着我国经济的快速发展, 大量的隧道工程建设和投入运营。隧道的安全和稳定关系到交通运输是否安全和通畅, 其安全和健康的状态始终是人们关注的重点。由于技术不成熟, 判断隧道的安全状态具有很大的随意性。建立一套完整科学的健康监测技术来判断隧道的健康状况是一个非常严峻的课题。通过采用布拉格光纤光栅 (FBG) 传感技术在新奥法施工隧道的健康监测中成功应用, 为隧道健康监测提供了一个新方向。

1 传统健康监测的现状及局限性

隧道的健康监测是土木工程的新兴课题, 也是工程健康研究的一个新方向。现行的隧道健康监测主要集中在结构位移、应力应变、温度、震动、沉降等。传统的健康监测方法存在很多局限性。传统监测技术速度慢、效率低, 需要专门的操作人员, 自动化程度不高。同时, 隧道工程条件比较复杂, 传感器对温度、湿度、电磁场和其他环境因素敏感, 常因传感器和仪器设备受潮、生锈而失效。

由于监测系统的集成化程度不高, 对于长大隧道, 传统的技术一般无法监测。

由于现代光学、电子、通讯和计算机技术的发展, 布拉格光纤光栅 (FBG) 传感技术弥补了传统健康监测的缺点, 成为隧道健康监测的新宠。它实现了自动远程监测、全天候、自动化的远程监控。

2 布拉格光纤光栅 (FBG) 传感器的优点

光纤传感技术是最近几年才发展起来的尖端监测技术。光纤传感比传统传感方式有较多优点, 如抗电磁干扰能力高、测量数据的精度和灵敏度高等。另外, 传感器体积小还具有防水、抗腐蚀、耐久性好等特点, 这些特点让它适合于结构的长期监控。布拉格光纤光栅传感器具有传统光纤传感器的一切优点, 同时它还具有:1) 较高的灵敏性, FBG的波长与温度呈现良好的线性关系, 在1 550 nm处其波长变化的典型值0.01 nm/℃, 0.3 nm/100 MPa, 0.001 nm/微应变。2) 电绝缘性好, 抗电磁波的干扰。作为传感器, 对外界信号的过滤非常重要, 车辆温度, 激振会产生较多赘余信号。抗干扰能力保证了信号的准确性, 同时, 光纤信号衰减率低, 可用于10 km以上的隧道健康监测。3) 具有较强的抗老化能力。FBG在适当的暴露环境和退火条件下工作周期大于25年。4) FBG传感器的体积小易埋设且具有很强的复用性。正是基于以上特点, 布拉格光纤光栅传感技术被广泛应用于测量工程结构的应变、温度、位移、沉降、压力等重要参数。例如, 瑞士联邦材料测试和研究实验室将FBG光纤光栅传感器安装于萨尔甘斯隧道中, 用于监测隧道的健康状况;美国海军光纤智能结构中心研制了针对公路桥梁的FBG动态监测传感器。

3 布拉格光纤光栅 (FBG) 技术的应用

隧道的新奥法施工在我国非常普遍, 新奥法施工的隧道支承结构以锚喷支护和模筑混凝土为主。其结构的监控量测一般仅在开挖后才对围岩或支护的稳定性进行监测。监测的主要作用还是保证施工的安全。但公路隧道地质结构、环境、设计和施工有众多缺陷, 影响其健康状况的因素众多。在运行后, 由于缺少有效的监测方法, 隧道内部的围岩应力、结构材料的老化锈蚀等物理量的变化无从判断, 容易造成无征兆的突发事件, 如垮塌。

新奥法施工隧道过程中引入了布拉格光纤光栅 (FBG) 技术后, 可以在隧道的整个生命周期监测隧道的健康状况。主要通过测量隧道围岩变形、围岩内部位移、隧道周边位移、围岩压力及两层支护间压力、支护和衬砌内应力、表面应力及裂缝测量、锚杆或锚索受力、钢支撑内力及外力等等。并把这些数据通过云计算比较, 分析隧道在每个阶段的应力、应变、位移的变化来推测隧道承载能力。同时, 通过布设的传感信号了解隧道二次衬砌的潮湿情况, 酸碱度状况。

隧道光纤光栅健康监测一览表见表1。

4 结语

布拉格光纤光栅 (FBG) 技术的运用成功的测量隧道在生命周期中二次衬砌、初期衬砌及衬砌后岩石的变形应力的变化关系, 准确的了解各部分结构承载情况, 根据承载情况采取进一步措施。这些监测数据是隧道健康评价的强有力证据及隧道进行分级维护的基础。布拉格光纤光栅 (FBG) 技术避免了长期以来用外观监测评价隧道状况的缺陷, 为隧道健康监测提供一个新方向。

参考文献