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1、1基于光纤技术的结构健康监测2结构健康监测系统随着我国的经济发展，大型土木工程结构的兴 建日益增多，如超大跨空间结构的体育馆、跨江越 海的超大跨桥梁、大型水利工程等，这些建筑的突 出特点是：使用时间长，使用环境恶劣，经济或政 治意义重大。但是土木工程结构在服役过程中，会 遭到环境侵蚀、材料老化、疲劳效应与突变效应等 等因素的复合作用，产生损伤累积，从而导致抗力 衰减，导致隐患的产生，由此产生了一种新兴的技 术结构健康监测。3结构健康监测(Structural Health Monitoring, SHM),是利用现场的无损传感技术,通过包括结构 响应在内的结构系统特性分析, 达到检测结构损伤
2、的目的，及时对结构进行加固的一种技术。结构健康监测系统一般包括传感器系统、数据 采集和分析系统、监控中心以及实现诊断功能的各 种软硬件。4结构健康监测系统的整个操作流程图5结构健康监测系统如何正确的对结构进行评估6结构健康监测在过去20年虽然取得了很大的进 步，但在一些方面还有待改善,例如局部损伤萌生 至结构失效的演变机理、损伤评价标准；稳态与非 稳态失效的计算分析方法；基于实时监测数据建立 结构与材料冗余度的描述模型；现代测试技术研究 、智能材料、新型传感器材的开发；材料传感器 交互作用的力学分析与实验室研究、信号质量的分 级评价方法；探测各类在缺陷的信号分析、损伤识 别方法。7光纤具有感测
3、和传输双重功能，并且有柔软、 可挠曲，电绝缘，耐腐蚀，工作中不发热，无辐射 ，能在强电磁干扰、易燃易爆、毒性气体等复杂环 境条件下工作，并与复合材料结构良好结合等独特 优点。将光纤传感器埋入结构中，可连续监测结构 内部应变、应力等待侧参数的变化情况。因此，光 纤传感器一直是智能结构自诊断系统的首选对象及 发展方向。8布拉格光纤光栅在目前结构健康监测中，布拉格光纤以其 自身的优势有着非常广泛的应用，比如在桥梁 、大坝等等。布拉格(Bragg)光栅光纤的制作方法布拉格光栅光纤制作中最主要的是用周期 变化的紫外光将光栅写人光纤中。9制作方法的原理光纤自身含有的一个掺锗光纤包层，使 光纤对波长在240
4、-260nm之间的紫外光有较 强的吸收，引起光纤折射率变化，当紫外光 强度达到一定程度，对应的纤芯截面的折射 率将会发生永久性改变，形成光栅。10布拉格(Bragg)光栅光纤的结构及光谱特性布拉格光栅(FBG)传感系统由三部分成:(1)光源 ,(2)传感头;(3)波长探测装置。工作原理对待测量探测光束波长进行调制，通过波长漂 移( )进行检测。Bragg光栅是在光纤中的一段范围 内沿光纤轴向设法使纤芯折射率发生周期性变化而 形成的芯内光栅。11光源将宽频光射人光纤一端，由于折射率的 周期性变化，光纤中向前和向后传输的光波相互祸 合，当满足Bragg条件时，波长为 的光功率耦合 到向后传输波中，
5、在反射谱中形成 的峰值，在没 有反射的透射光谱中就缺失了这段光谱，形成 处 的凹陷。12光纤光栅进行传感的原理图13布拉格光栅光纤传感器中，光栅光纤布拉格反射峰 波长 与光栅光纤折射率变化的周期 满足布拉格方程14是纤芯折射率的调制周期， 称为有效折 射率。由布拉格方程可知，布拉格反射峰波长取决 于光栅折射率的变化周期和光纤有效折射率。当两 个参数发生变化时，光栅布拉格反射峰波长 就会 出现漂移。15根据布拉格方程当光纤受应力时，光纤发生应变 时，栅距 变为 ， Bragg波长由 变为 ，即此时Bragg波 长变化为 。 当光纤受到其他比如温度等，同样会使波长 发生漂移。 。16简述在土木工程
6、中的应用混凝土结构检测在桥梁检测的应用土木工程中的应用还有很多，随着社会的发展 ，应用的领域会越来越广。18长周期光纤光栅长周期光纤光栅（LPFG, long period fiber grating）是近一些年才出现的一种新型光纤无源器 件，是一种能够把纤芯导模的某些特定波长的光耦 合到同向传输的包层模式中的新型光纤器件。它在 具有比布拉格光纤光栅更好的光学特性。长周期光 纤光栅具有很好的传输谱特性，它把纤芯基模的能 量耦合到同向传输的包层模中，从而导致相应的波 长的传输损耗，是一种理想的带阻传输型无源滤波 器件。19长周期光纤光栅原理 光纤光栅的相位匹配条件为和 为传播常数;为模式1耦合到
7、模式2所要求 的光栅周期,即为长周期光纤光栅的周期。20芯区和包层区相对折射率相差很小(千分之几) 及导模与包层模的传播常数 与 相差也很小，由相 位匹配条件可知,此时其光栅周期较大 。长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模 和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带 阻滤波器。 21外界条件包括环境温度、对光纤施加的应力、 环境折射率、光栅弯曲等的改变都会引起纤芯和包 层折射率的变化以及光栅周期的变化。这些将导 致导模和包层模之间耦合的相位匹配波长及耦合系 数的改变,并最终表现为光栅吸收峰中心波长和强 度的变化。另外，LPFG的中心波长不仅与纤芯的参数有关 ,而且还与包层的折射率有关。2
8、2长周期光纤光栅的制备方法长周期光纤光栅的写入方法很多，目前较为常 用的是有幅度掩模法和逐点写入法。幅度掩模法：是目前常用的一种方法它是利 用周期性透过的振幅掩模版调制入射紫外光利用 掺锗光纤的光敏性引起纤芯发生周期姓折射率调制 从而形成长周期光纤光栅。这种方法主要是利用掺 锗光纤的光敏性，氢锗可以增加其光敏性。这种方 法的优点是成本低，性能稳定。逐点写入法：利用精密电机控制光纤运动位移，将 紫外光聚焦成小于光栅周期的光束，每隔一个光栅 周期以就曝光一次，通过控制电机速度可以写入任 意周期的光栅此方法的优点是制作过程灵活方便 ，但由于机械位移的精度控制难度较大，而且需要 对紫外光进行良好的聚焦
9、，使其应用受到限制。幅度掩模法制作长周期光纤光栅试验装置PC:偏振控制器；AM:振幅掩膜板逐点写入法制作长周期光纤光栅试验装置PC:偏振控制器；CS:控制台长周期光纤光栅的应用近年来，国外对长周期光纤光栅的研究工作十 分活跃，并且集中大量的人力、物力进行了广泛深 入的研究与开发实用化产品，取得了较好的实用效 果。长周期光纤光栅是一种透射型光栅，无反向反 射，在传感测量系统中不需要隔离器，并且其非常 灵敏，因此测量精度较高。周期光纤光栅作为热敏、压敏及折射率敏传感 器可用来测量应力、应变、温度和折射率的变化 ，它不仅具有光纤光栅传感器的普遍优点，而且还 具有宽带宽、高灵敏度等特点。如长周期压敏传
10、感 器，其压力系数为Bragg光栅的2倍；对于热敏传感 器，长周期的热敏系数为Bragg光栅的10倍。长周期光纤光栅的不足之处目前，在实际的结构健康监测系统中，大多数 采用的是光纤布拉格光栅传感器，而长周期光纤光 栅还没得到广泛的使用主要是因为长周期光纤光栅 存在交叉敏感问题，即当长周期光纤光栅传感器用 于测量其中一个物理量时，由于外界环境的变化可 能使其它物理量发生变化，而长周期光纤光栅传感 器本身不能分辨出与其它物理量所分别引起的光栅 谐振波长的变化。从而使测量精度大大降低。换句话说，长周期光纤光栅具有的比布拉格光纤光栅更 好的灵敏度反而也就形成了它在测量中的最大的缺 点。因此，解决长周期
11、光纤光栅在测量过程中的灵 敏度问题至关重要。目前，人们所解决交叉敏感问 题的方案，均需要两种及其两种以上传感器的组合 。30OTDR光时域反射计光时域反射计OTDR是表征光纤传输特性的测 试仪器。此仪器主要用于测试整个光纤链路的衰减 并提供与长度有关的衰减细节，具体表现为探测、 定位和测量光纤链路上任何位置的事件(事件是指 因光纤链路的熔接、连接器、弯曲等形成的缺陷, 其光纤传输特性的变化可以被测量)。 OTDR测试的基本原理是瑞利后向散射,它是由于光 纤本身的缺陷和掺杂组分的非均匀性,使得光纤中OTDR的测试原理31传播的光脉冲发生瑞利散射。一部分光沿脉冲相反 的方向被散射回来,因而被称为瑞
12、利后向散射,后向 散射光提供了与长度有关的衰减细节。 设注入光功率为Po，则沿光纤传输到Z处的后向散 射光再传回始端的光功率为32其中 、 分别为z处正向、后向传输时的衰减系 数,与瑞利散射系数及光纤的结构参数有光。如果 能测得 、 两处散射回来的光功率，即可求得、 间前后向传输的平均衰减系数 若光纤结构参数沿轴向均匀，则衰减系数可表述为33距离有关的信息是通过时间信息而得到的(此即光 时域反射计中时域的由来),利用折射率n值将这一 时域信息转换成距离长度上任一点光纤特性的微小变化。34熔接弯折机械固定接头断裂光纤尾端OTDR显示图1 OTDR曲线与光纤链 路对应 关系图距离(km)功率(w)
13、OTDR 曲线 与光 纤链 路对 应关 系图35激光器耦合器检测器传感光纤基于OTDR的光纤传感系统36OTDR的主要性能指标 1.动态范围 动态范围是OTDR主要性能指标之一，它决定光纤 的最大可测量长度。动态范围越大，曲线线型越好 ，可测量距离也越长。 2.盲区 盲区又称”死区”,是指受菲涅耳反射的影响,在一定 距离范围内OTDR曲线无法反映光纤线路状态的部 分。373.分辨率 OTDR有四种主要的分辨指标:取样分辨率、显示分 辨率、事件分辨率和距离分辨率。 取样分辨率是指两点之间最小距离此指标决定了 OTDR定位事件的能力。 显示分辨率是仪器可以显示的最小值。 事件分辨率是指OTDR对被
14、测链路中事件点的分辨 门限，也就是事件阈值，OTDR把小于这个阈值的 事件变化当作曲线中斜率均匀变化点来处理。38距离分辨率是指仪器所能分辨的两个相邻事件点间 的最短距离，此类指标类似事件盲区，与脉宽、折 射率参数有关。目前商用OTDR的最大动态范围可达45dB，最 短盲区可以小于1m，最高采样分辨率达到5cm。39OTDR的应用 分布式光纤传感技术是基于光时域反射技（OTDR ）发展起来的一种新型光纤传感技术，最能够体现 光纤分布伸展优势的传感测量方法。 OTDR主要有以下六方面的应用:链接上事件的位置 ，链接的结束或断裂处;链接中的光纤衰减系数;单 个事件的损耗（例如一个接头），或链接上端
15、至端 合计损耗;一个事件诸如连接器反射幅度；可以自 动测量至一个事件的累计损耗;测量光纤长度。40OTDR目前存在的问题 (1)由于OTDR测试原理是瑞利后向散射，而后向 散射系数非常小，所以在注入端需要非常大的光功 率; (2)OTDR的距离分辨率约1m，那么小于1m的事件 将无法在仪器上观测。 (3)由于OTDR盲区的存在，那么在盲区内的事件将 无法进行观测，这也是在结构健康监测中不允许的 。布里渊光时域反射计（BOTDR)布里渊光时域反射计(BOTDR)的测量技术，与 传统的监测技术相比，该技术具有分布式、长距离 、耐腐蚀、抗干扰等诸多优点，因此一些发达国家 如日本、加拿大等都在竞相开展
16、这一技术的理论和 应用研究,目前国外己有成功的应用实例.BOTDR是一种基于布里渊散射的分布式光纤应 变监测技术。应用该技术可以测量光纤沿线的应变 分布，如果将光纤埋设在结构物内部或者粘贴在结 构物的表面，就可以得到结构物相应位置的应变分 布信息。由于BOTDR可以得到结构物的静态应变， 该物理量可以满足对结构损伤进行直接定位的基本 条件，将其作为损伤标识量可以直接识别和定位结 构的损伤，而不需要进行复杂的数学反演。BOTDR应变测量原理及误差 光波在光纤中传播并与光纤中的声学声子相互作用 并发生布里渊散射。布里渊散射光的频率相对于注 入的脉冲光频率将产生漂移，可表示为n表示折射率;， 表示声波速度表示， 入射光波长 。44BOTDR的应变测量原理图布里渊频移与应变的线性关系线性关系的斜率取决于 探测光的波长和所采用 的光纤的类型，试验前 需要对其进行标定，即 确定 和比例系数 布
