摘 要：通過(guò)在橋梁、建筑等重大工程結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施應(yīng)用中，對(duì)光纖光柵工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、基本構(gòu)成、傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償、現(xiàn)場(chǎng)傳感器的布設(shè)、保護(hù)工藝等諸多重要問(wèn)題進(jìn)行了分析和研究，并加以解決。應(yīng)用此系統(tǒng)對(duì)大型重量級(jí)工作制鋼吊車梁的加固進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，通過(guò)與理論的對(duì)比表明采用光纖光柵應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)大型構(gòu)件實(shí)現(xiàn)應(yīng)變檢測(cè)是可行的。 關(guān)鍵詞：光纖光柵;應(yīng)變;工程結(jié)構(gòu);監(jiān)測(cè) [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(cè)技術(shù)之后傳感技術(shù)發(fā)展的新階段。相對(duì)于機(jī)電類傳感器，光纖傳感器具有很多優(yōu)勢(shì)，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(shì)之外，還有一些特別的優(yōu)勢(shì)，最主要的是傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制以及復(fù)用能力強(qiáng)。其好處在于：測(cè)量信號(hào)不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測(cè)器老化等因素的影響;避免了干涉型光纖傳感器相位測(cè)量模糊不清等問(wèn)題;在一根光纖上串接多個(gè)布拉格光柵，把光纖嵌入（或粘于）被測(cè)結(jié)構(gòu)，可同時(shí)得到幾個(gè)測(cè)量目標(biāo)的信息，并可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。廣泛應(yīng)用于對(duì)工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)以及對(duì)結(jié)構(gòu)變形、裂縫、整體性等結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[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(cè)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(píng)價(jià)與損傷定位的是應(yīng)變信號(hào)，所以說(shuō)應(yīng)變是重要工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最為重要的參數(shù)之一。通過(guò)國(guó)內(nèi)外同行的大量研究和實(shí)踐，已將應(yīng)變測(cè)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(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成和實(shí)施方案，并對(duì)工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中。 2 光纖光柵應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [align=center] 圖1 光纖光柵分布傳感監(jiān)測(cè)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(cè)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(kāi)關(guān)，光開(kāi)關(guān)的每一路由幾個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光柵串接構(gòu)成傳感陣列。通過(guò)不同光纖光柵的反射光波長(zhǎng) …… ，與被測(cè)對(duì)象上各測(cè)量點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，分別感受各分布測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變，使其反射光的波長(zhǎng)發(fā)生改變，改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)傳出，輸入到環(huán)行器端口2，再由端口3輸出。通過(guò)光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)探測(cè)其波長(zhǎng)改變量的大小，并由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸出，最后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估。 　　根據(jù)圖1的光纖光柵分布應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成，把整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施方案分為以下幾個(gè)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(cè)量點(diǎn)位置和測(cè)量分布方式，粗略估計(jì)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變范圍，推算出整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布概況。 　　2）確定各測(cè)點(diǎn)處光纖光柵的中心波長(zhǎng)：根據(jù)估計(jì)的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布狀態(tài)，特別是各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的最大值，將各測(cè)點(diǎn)的位置與對(duì)應(yīng)處的光纖光柵的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。在采用分布傳感方式時(shí)，保證各測(cè)點(diǎn)的各點(diǎn)的波長(zhǎng)分布具有一定的間隔，間隔的大小取決于各測(cè)點(diǎn)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(guò)程中波長(zhǎng)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(cè)的要求和工程實(shí)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(hù)工藝。 　　4）確定光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)：依據(jù)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變變化值的光纖光柵波長(zhǎng)的變化值 …… ，和各點(diǎn)的波長(zhǎng)分布間隔大?。?），計(jì)算出所有測(cè)點(diǎn)的波長(zhǎng)變化值和間隔值的總和，然后乘以相應(yīng)的波長(zhǎng)余額系數(shù)1.2～1.8，確定所需光纖光柵解調(diào)器的波長(zhǎng)解調(diào)范圍，并結(jié)合所需的測(cè)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(jìn)行設(shè)置，測(cè)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(píng)估：依據(jù)結(jié)構(gòu)上各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值，進(jìn)行特定的程序運(yùn)算，確定結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變分布狀態(tài)，并對(duì)極限狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。 3 在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題 　　3.1 光纖光柵應(yīng)變傳感器的埋設(shè)和保護(hù) 　　傳感器的埋設(shè)工藝必須達(dá)到兩個(gè)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(lái);二是保證傳感器的使用壽命滿足重大工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的目的[5]。與其它領(lǐng)域相比（如機(jī)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(hù)-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(diǎn)，粘貼劑的性能必須滿足以下幾點(diǎn)：能形成薄的、無(wú)間隙的、具有高剪切強(qiáng)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(jī)在鋼筋打磨出一個(gè)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(shù)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(shù)脂膠自然固化。固化后，在傳感器四周的縫隙處再補(bǔ)膠一次。最后在外邊纏幾層紗布將傳感器保護(hù)起來(lái)。至此，傳感器的安裝和保護(hù)工作基本做完。接著就是鋪設(shè)和保護(hù)光纜，需要注意三點(diǎn)： 　　a.當(dāng)沿著鋼筋捆扎光纜時(shí)，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(guò)程的直接沖擊; 　　b.不要讓光纜對(duì)折彎曲，以免光強(qiáng)損耗過(guò)大; 　　c.在光纜從構(gòu)件中出來(lái)的一段，要用有一定強(qiáng)度的塑料管將光纜套入其中，以免在澆注時(shí)被拉斷。 　　（2）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(hù)同上。 　　3.2 溫度補(bǔ)償 　　在光纖光柵的應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)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(guò)在橢圓纖芯周圍調(diào)節(jié)應(yīng)力來(lái)消除應(yīng)力引起的雙折射，來(lái)達(dá)到減弱對(duì)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(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用中，多采用線性補(bǔ)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(cè)量范圍內(nèi)，忽略應(yīng)變-溫度交叉靈敏度影響，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很小，把應(yīng)變和溫度對(duì)光柵波長(zhǎng)的作用當(dāng)作是獨(dú)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(yáng)面，橋面或橋底等部位分別布置兩個(gè)近位置光柵，其一為測(cè)量光柵，同時(shí)受溫度和應(yīng)變影響;另一個(gè)為溫度補(bǔ)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(chǎng)中。因此，溫度變化引起的兩光柵波長(zhǎng)變化應(yīng)相同，在測(cè)量光柵的波長(zhǎng)漂移中，扣除溫度變化引起的波長(zhǎng)漂移，即得應(yīng)變單獨(dú)作用引起的波長(zhǎng)漂移，從而達(dá)到了溫度補(bǔ)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(diǎn)之一就是能夠進(jìn)行分布式測(cè)量。采用波分復(fù)用技術(shù)，可在一根光纖上串接多個(gè)中心波長(zhǎng)不同的光纖光柵傳感器，將波長(zhǎng)值和測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。目前在實(shí)驗(yàn)室中最多可以串接20個(gè)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(zhǎng)分辨帶寬以及待測(cè)參量的變化范圍。因此，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)前，必須掌握被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變范圍，對(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)進(jìn)行合理選擇，對(duì)串接的光柵的波長(zhǎng)間隔進(jìn)行設(shè)計(jì)，并留有一定余量，不能一味追求串接的數(shù)量。 4 測(cè)試分析 　　本次測(cè)試對(duì)象是大型重量級(jí)工作制鋼吊車梁。 　　4.1 測(cè)點(diǎn)布置 　　測(cè)試對(duì)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(duì)稱布置兩處測(cè)點(diǎn)，吊車梁圓弧端R板一側(cè)布置一處測(cè)點(diǎn)。每處測(cè)點(diǎn)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(diǎn)，此外還設(shè)置一個(gè)光纖光柵作為溫度補(bǔ)償點(diǎn)，共計(jì)十點(diǎn)。由九個(gè)光纖光柵組成應(yīng)變花形式以測(cè)試三個(gè)測(cè)點(diǎn)的平面應(yīng)力，由一個(gè)光纖光柵作為溫度補(bǔ)償測(cè)點(diǎn)，由于三個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置比較靠近，溫度變化均應(yīng)與溫度測(cè)點(diǎn)處相近。 　　4.2 測(cè)試方案 　　測(cè)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(cè)試一端，當(dāng)停在指定位置L后讀數(shù)，測(cè)試情況如圖2所示。 [align=center] 圖2 測(cè)試吊車的位置[/align] 　　實(shí)際測(cè)試時(shí)吊重Q為141.57t，工況有四個(gè)，測(cè)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(xiàng)目吊車輪壓的測(cè)試結(jié)果，根據(jù)吊重Q可計(jì)算出此時(shí)的吊車輪壓P，然后根據(jù)吊車位置L就可以計(jì)算出每個(gè)工況條件下測(cè)試部位吊車梁的支座反力R，以計(jì)算加固后吊車梁圓弧端處測(cè)點(diǎn)在測(cè)試工況條件下的理論應(yīng)力值。 　　表1 測(cè)試數(shù)據(jù) 　　4.3 測(cè)試結(jié)果與分析 　　為了與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，采用三維塊體有限元單元模擬焊接加固設(shè)計(jì)方案的圓弧端端頭應(yīng)用ALGOREAS有限元進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算中材料的彈性模量E、泊松比、計(jì)算模型的尺寸與加固設(shè)計(jì)尺寸相同。圓弧端處測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比如表2所示。 　　表2 應(yīng)力計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比 　　從表2可以看出，加固板上跨內(nèi)側(cè)與跨外側(cè)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果不同，說(shuō)明加固板受到外彎曲作用，但兩側(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果平均值與有限元計(jì)算結(jié)果較為吻合，能夠反映圓弧端加固板的實(shí)際應(yīng)力分布和變化情況。 　　測(cè)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(cè)試的差異主要來(lái)源于測(cè)點(diǎn)位置的偏差（兩端焊縫形式，測(cè)點(diǎn)離開(kāi)焊縫的距離）與計(jì)算模型的差異（吊車梁實(shí)際工作狀態(tài)與理想模型之間的差異）等。同樣，R板上測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算結(jié)果有較大偏差，這主要是由于僅測(cè)試一側(cè)，實(shí)際受到平面外作用、測(cè)點(diǎn)偏差等影響造成的。上述對(duì)比分析說(shuō)明光纖傳感測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于圓弧端監(jiān)測(cè)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(jìn)行了加固。為了檢測(cè)加固效果，曾進(jìn)行過(guò)應(yīng)變片的測(cè)試，其測(cè)試信號(hào)受到較大干擾，穩(wěn)定性差。再次進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試采用了光纖光柵傳感技術(shù)。與應(yīng)變片測(cè)量相比，光纖光柵應(yīng)變測(cè)量分辨率和靈敏度都比較高，特別適合于檢測(cè)結(jié)構(gòu)非常微小的應(yīng)變，是一種先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。光纖光柵應(yīng)變測(cè)量為波長(zhǎng)調(diào)制、數(shù)字傳輸，其抗環(huán)境干擾強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，在結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估方面具有極大的應(yīng)用前景，具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 　　1、對(duì)光纖光柵工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)給出了創(chuàng)新性構(gòu)建方案和實(shí)施方案。 　　2、對(duì)工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題，例如傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償、現(xiàn)場(chǎng)傳感器的布設(shè)、保護(hù)工藝等進(jìn)行了全面地分析和研究，并給出了解決方案。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 劉建平等.光纖Bragg光柵傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與應(yīng)變分析[J].微計(jì)算機(jī)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(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù),2004,23（5）:1-5。 　　[4] 楊要恩等. FP光纖傳感器的溫度與應(yīng)變傳感特性研究[J].傳感器技術(shù),2005,24（4）:24-26。 　　[5] 鄭魏等.光纖光柵傳感器在水布埡面板壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,4-1:206-207。