光纤光栅传感器及其在结构健康监测中的应用

光纤光栅传感器及其在结构健康监测中的应用

袁雪松

【摘 要】依据结构健康监测的基本概念,阐述了光纤光栅的构造和传感原理,列举了采用光纤光栅封装传感器的三种工艺,介绍光纤光栅传感网络系统原理以及光纤光栅传感器发展历程和在健康监测中的应用. 【期刊名称】《大庆师范学院学报》 【年(卷),期】2007(027)002 【总页数】5页(P37-41)

【关键词】健康监测;光纤光栅;封装;应变监测 【作 者】袁雪松

【作者单位】广东金融学院,计算机科学与应用系,广东,广州,510521 【正文语种】中 文 【中图分类】教科文艺

第27 卷 第2 期 大庆师范学院学报V ol.2 7 N o.2 20 0 7 生4 月 JO U R N A L O F D A Q I N G N O R M A L U N I V E R SIT Y Ap r i l r 2 0 0 7光 纤 光 栅 传 感 器 及 其 在 结 构 健 康 监 测 中 的 应 用袁 雪 松 （广东金 融学院 计算机科学与应用 系 ，广 东 广州 5 105 2 1）摘要：依据结构健康监测的基本概念， 阐述了光纤光栅的构造和传感原 理 ，列举 了 采用 光纤光栅封装传感器的 三种 工 艺 ， 介绍光纤光栅传感网络系统原 理 以及光纤光栅传感器发展历 程 和在健康监测 中的应用 。关键词：健康监测；光纤光栅；封装；应变监测作者简介：袁雪 松

（ 197 1-），男 ， 黑龙 江 大庆人 ，广东金融学院计算机科学与应用 系讲师 ， 主要从事网络数据库 开发与发布技术研究。中圈分类号：T P2 12 文献标识码：A 文章编号：10 06 - 2 165f 2 0 07） 02- 0 0 3 7 - 0 5 收稿日期：2006- 1 0 - 2 31 引 言 现 代 大 型 工 程 结 构 ， 例 如 桥 梁 、 大 跨 空 间 结 构 、 高 层 建 筑 、 水 利 工 程 、 地 下 工 程 等 ， 它 们 的 使 用 期 长 达 几 十年 、 甚 至 上 百 年 ， 环 境 侵 蚀 、 材 料 老 化 和 荷 载 的 长 期 效 应 、 疲 劳 效 应 与 突 变 效 应 等 灾 害 因 素 的 耦 合 作 用 将 不可 避 免 地 导 致 结 构 和 系 统 的 损 伤 积 累 和 抗 力 衰 减 ， 从 而 抵 抗 自 然 灾 害 、 甚 至 正 常 环 境 作 用 的 能 力 下 降 ， 极端 情 况 下 引 发 灾 难 性 的 突 发 事 故 。 因 此 ， 为 了 保 障 结 构 的 安 全 性 、 完 整 性 、 适 用 性 与 耐 久 性 ， 已 建 成 使 用 的许 多 重 大 工 程 结 构 和 设 施 急 需 采 用 有 效 的 手 段 监 测 和 评 定 其 安 全 状 况 、 修 复 和 控 制 损 伤 ； 对 新 建 的 结 构和 设 施 总 结 以 往 的 经 验 和 教 训 ， 增 设 长 期 的 健 康 监 测 系 统 和 损 伤 控 制 系 统 ， 以 监 测 结 构 的 服 役 安 全 状 况 ， 并为 研 究 结 构 服 役 期 间 的 损 伤 演 化 规 律 提 供 了 有 效 的 、 直 接 的 方 法 。 结 构 健 康 监 测 已 经 成 为 世 界 范 围 内 工程 领 域 的 前 沿 研 究 方 向 。 结构 健 康 监 测 是 利 用 现 场 的 无 损 传 感 与 结 构 系 统 特 性 分 析（包 括 结 构 反 应）， 探 测 结 构 的 变 化 ， 揭 示结 构 损 伤 与 结 构 性 能 劣 化 。 对 结 构 的 应 变 、 加 速 度 、 速 度 、 位 移 、 旋 转 等 参 数 的 监 测 是 结 构 健 康 监 测 的 基 本 方法 。 理 想 的 健 康 监 测 系 统 应 能 在 结 构 损 伤 出 现 教 早 时 期 发 现 损 伤 ， 在 传 感 器 允 许 的 情 况 下 结 合 损 伤 识 别技 术 确 定 损 伤 的 位 置 ， 评 估 损 伤 程 度 ， 预 测 剩 余 的 有 效 寿 命 。 典型 的 结 构 健 康 监 测 系 统 组 成 如 图 l 所 示 。 从 图 中 可 以 看 出 智 能 传 感 元 件 对 于 健 康 监 测 系 统 的 运 行 尤为 关 键 。 健 康 监 测 要 求 利 用 性 能 稳 定 、 耐 久 性 好 的 传 感 元 件 ， 埋 人 或 附 着 于 结 构 中 ， 对 最 能 反

映 结 构 安全 状 况 的 参 数 进 行 监 测 ， 评 价 结 构 的 安 全 性 、 耐 久 性 ， 为 维 修 、 安 全 报 警 决 策 提 高 可 靠 的 依 据 。 而 工 程 结 构 与设 施 往 往 处 于 较 恶 劣 的 环 境 中 ， 这 就 要 求 传 感 器 必 需 满 足 耐 久 性 、 稳 定 性 、 与 结 构 相 容 性 。 传 统 的 传 感 器很 难 满 足 这 样 的 要 求 。 而 新 型 智 能 传 感 材 料 的 出 现 ， 如 光 纤 、 压 电 材 料 、 形 状 记 忆 合 金 、 碳 纤 维 、 电 阻 应 变丝 、 疲 劳 寿 命 丝 、 半 导 体 材 料 等 较 好 地 解 决 上 述 问 题 。 随着 智 能 感 知 材 料 的 发 展 ， 高 性 能 传 感 器 及 其 测 试 技 术 为 结 构 智 能 健 康 监 测 系 统 的 研 究 与 发 展 提 供 了崭 新 的 途 径 ， 尤 其 是 以 光 纤 光 栅 为 代 表 的 光 纤 传 感 元 件 的 出 现 与 发 展 ， 更 是 为 这 一 热 点 课 题 提 供 了 广 阔 的生 机 。 光 纤 光 栅 传 感 器 的 优 点 主 要 表 现 为 ： 耐 久 性 好 ， 适 于 长 期 监 测 ； 无 火 花 ， 适 于 特 殊 监 测 领 域 ； 既 可 以实 现 点 测 量 ， 也 可 以 实 现 准 分 布 式 测 量 ；测 量 动 态 范 围 只 受 光 源 谱 宽 的 限 制 ， 不 存 在 多 值 函 数 问 题 ；检 出量 是 波 长 信 息 ， 因 此 不 受 接 头 损 失 、 光 沿 程 损 失 等 因 素 的 影 响 ；对 环 境 干 扰 不 敏 感 ， 抗 电 磁 干 扰 ； 波 长 编 码 ，可 以 方 便 实 现 绝 对 测 量 ； 单 根 光 纤 单 端 检 测 ， 可 尽 量 减 少 光 纤 的 根 数 和 信 号 解 调 器 的 个 数 ；信 号 、 数 据 可 多路 传 输 ， 便 于 与 计 算 机 连 接 ， 单 位 长 度 上 信 号 衰 减 小 ； 灵 敏 度 高 ， 精 度 高 ；光 纤 光 栅 尺 寸 小 ， 测 量 值 空 间 分 辨率高 ；输 出 线 性 范 围 宽 ， 在 1 0 0 0 0 微 应 变 范 围 内 波 长 移 动 与 应 变 有 良 好 的 线 性 关 系 ； 频 带 宽 ， 信 噪 比 高 等 。正 是 这 些 突 出 优 点 ， 光 纤 光 栅 传 感 器 受 到 土 木 工 程 领 域 的 广 泛 关 注 与 青 睐 。 37第27卷第2期大庆师范学院学报Vol.2No0生4月JOURALFDQIGMESIT Ypril袁雪松（广东金 融学院 计算机科学与应用 系 ，广 东 广州 5 105 2 1）种工艺，介绍光纤光栅传感网络系统原 理 以及光纤光栅传感器发展历 程 和在健康监测 中的应用 。35收稿日期：20061引