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结构健康监测中光纤光栅传感技术(一)光纤健康监测研究和应用现状

更新时间:2015-09-23 10:52:53点击次数:7233次字号:T|T

第一章 绪论


 1.1 引言

重大工程结构的健康监测与诊断越来越受到社会各界的广泛重视,对灾害的提前预警或在灾害发生后评估结构的损伤程度及其剩余寿命已等成为当前各国学者们研究的热点[1]。同时,智能结构控制也成为防灾减灾的一个新兴学科,把人复杂的感知、信息处理和响应的机能外推映射到工程结构中去,从而使结构能够对内部状态的变化和外部环境的刺激做出适当的反应,使其能够象人一样具有进行自我感知、自我诊断和自我调节并适应环境的功能,是未来工程结构的发展方向[2]

无论是结构的健康监测还是智能结构控制,对结构当前状态的实时测量都是其中必不可少的关键一环,光纤传感器由于其突出的优点而成为智能系统的首选传感器。光纤传感器最早的应用是1979年由美国航空航天局组织将光纤传感器尝试性地埋入复合材料内部,监测其应变和温度,之后光纤传感器在飞行器领域和复合材料中取得了越来越多的应用,并逐渐向其他领域扩展,呈现了蓬勃发展的态势。但是,由于光纤传感系统的价格昂贵和它的研究历史较短等原因,光纤传感器在土木工程结构中应用还不多见。然而,由于它固有的优点,势必将在很多场合取代传统传感器[3]

1.2 光纤健康监测研究和应用现状

国际上将光纤传感器用于大型工程结构的健康监测时间不长,目前正处于从萌芽到发展的过渡期。1989年,Mendez等人[4]首先提出了把光纤传感器用于混凝土结构的检测。之后,日本、英国、美国、德国等许多国家的研究人员先后对光纤传感系统在土木工程中的应用进行了研究。日本、美国和瑞士的光纤传感器在土木工程中的应用领域相对较广泛,已经从混凝土的浇筑过程扩展到桩柱、地基、桥梁、大坝、隧道、大楼、地震和山体滑坡等复杂系统的测量或监测。

Idriss等联合美国联邦公路局在新墨西哥州的Rio Puerco桥上安装了40SOFO位移光纤传感器和24个温度传感器(如1.11.2所示),光纤传感器在浇筑前预埋入结构中,用于监测预制梁的预应力损失。结果表明,浇筑温度对早期混凝土的预应力损失影响非常大,浇筑温度越低,其预应力损失越严重[5][6]KronenbergGlisic等在瑞士和法国边界一个发电站水库的大坝(Emosson Dam)上安装了光纤传感器(如1.3所示)。由于一些原有的传感器操作不方便,对温度、湿度和电磁场等敏感,安装困难,所以用光纤传感器取代传统的传感器来测量坝体的裂纹和基础的位移。安装了两根超长位移计,一根长30米,另一根60米。测试结果表明光纤传感器与原来的杆式伸长计结果非常吻合,测量结果更精确,更灵敏。唯一的缺点是需要约60天左右的传感器校正时间,用于调整光纤传感器涂覆层在运输过程中的变形[7][8]Inaudi等在一个现存的隧道旁30米距离处修建的另一个隧道壁上安装了8个距离不等的光纤伸长计,安装位置为从已存的隧道通向新隧道的小孔洞中(如1.4所示),用于监测修建隧道时土石的受压情况。测量结果表明,距离隧道钻孔机(即新隧道位置)较近的光纤伸长计有较大的应变,伸长计的变形量与距新隧道垂直距离的远近呈指数下降趋势[9]Inaudi及他们的小组到2001年为止在约9年时间内共在桥梁,水坝,隧道,发电站等70多个不同场合成功安装了约1500个光纤传感器,用于检测结构的应力、应变、振动、损伤和裂缝等或者进行大型结构的健康监测,其中95-100%都达到了预期的设计功能[10][11]Pietro[12]详细探讨了光纤光栅(Fiber Bragg grating sensor)传感器的原理、检测方法、应变与温度信号分离的各种解决办法,并指出光纤地震检波器,光纤地震仪等可以用于测量岩石变形,隧道监测和地震测量。Udd[13]在一座桥上安装了光纤光栅传感器,测试结果表明,该传感器不仅可以监测车辆的行驶速度,而且可以称量运动中车辆的重量,对交通流量进行分类,其灵敏度甚至可以检测到桥上的跑步着或者成人的行走。

1.1 Rio Puerco桥图

1.2 光纤传感器埋入位置图

1.3 Emosson大坝光纤传感器安装图

1.4 Mt.Terri隧道光纤传感器安装图

光纤传感器是一个新兴蓬勃发展起来的行业,许多公司都在致力于研制并开发新类型、功能或更加廉价的光纤传感器产品,几乎每天都有新型光纤传感器在申报或者获得专利。美国已有专利利用光纤传感器测量地下钻孔时孔表面的垂直地震响应,利用测量动应变来测量一点处的三向加速度等。欧洲有公司采用光纤传感器利用基站与测量站之间的距离变化来测量20公里以内的山体滑坡或者地面运动,此种光纤传感器在全球定位系统等中也将起到积极的作用。目前各种新型的光纤传感器层出不穷,从结构的静应力[14]、振动的测量[15]到结构应变的健康监测等[16][17]

1998年,欧盟几个发达国家联合成立了一个混凝土结构性能评估集成监测系统Smart Project)项目,有8家公司等联合组成。根据该项目的研究结果[18][19],光纤健康监测可使系统的运行费用降低10-20%,而且其模型对未来新建项目具有启发意义,可使其整个使用期总费用额外节省约10%。如果光纤传感器在土木工程中成功地应用,不仅会节省很多测量监测费用,有着巨大的经济效益;同时也会使测量精度进一步提高,能够测量许多过去很困难或者根本无法测量的量。对于大型桥梁、水坝等基础设施的监测水平会有很大程度的提高,更加可靠地保证人民群众的生命安全,有着巨大的社会效益。

与国际上光纤传感器的迅猛发展相比,我国近几年才开展这方面的研究工作。刘雄等[20]分析和比较了光纤传感器与普通传感器的优缺点,研制了光纤钢环位移计和光纤测力计等并将其应用在实际测量中。哈尔滨工业大学智能材料系统和结构中心的冷劲松等人[21]研制成功了端口耦合式光纤振动传感器和基于多模光纤模斑监测的光纤振动传感器并测试了其性能。梁磊和姜德生等[22]讨论了光纤传感器与混凝土结构的相容性问题,并据此研制出一种新型的光纤传感器。潘树新和刘耀炜[23]总结了地震科学发展的历史,指出观测技术的革新和进步可能是地震科学焕发青春的途径之一,光纤传感器在地震前兆观测中具有广泛的应用前景。赵廷超、黄尚廉等[24]讨论和分析了机敏土建结构中埋入光纤传感器问题,对结构内部的状态参数如应力、应变、温度等的无损检测,以及对结构整体性、安全性评估的原理和方法。李辰砂等[25]阐述了光纤监测复合材料成型过程的原理和可行性,研制了两种分别依据相位调制和强度调制的光纤传感器,用于监测复合材料固化过程中的内部变化历程。查开德[26]研制成功了用于大型结构应变测量的光纤传感器,并介绍了这种光纤传感器的原理、结构和实验研究结果。

1.3 光纤健康监测系统构成

光纤智能健康监测系统主要由以下三部分构成:光纤传感器系统,信号传输与采集系统,数据处理与监测系统。其中光纤传感器系统包括光纤传感器的选型,选择具体的调制方式和符合性能要求的光纤传感器,然后需考虑光纤传感器的拓扑方式,最后要考虑传感器的安装是外表粘贴式还是内部埋入式。信号传输与采集系统包括光纤传感器的校正、采样模块以及海量实时数据的存储结构和方式。数据处理与监测部分是健康监测系统的核心部分,包括大量数据的有效性分析、结构健康性能指标的参数选择、结构运行状态的可视化系统以及相应的灾害提前预警功能等。光纤智能健康监测系统的各部分之间是相互联系、缺一不可的,每一部分都是整个系统的有机组成部分。由于目前光纤传感器的标准化程度还不高,不同类型的传感器一般都需要特定的解码系统,因而一旦传感器确定后,相应的信号采集与处理系统也便随之而定。所以光纤传感器的优化布置方法和实时信号的分析监测便成为光纤智能健康监测系统应用的关键问题。

进行监测时,光纤传感器测量到的结构实时状态信号经过信号传输与采集系统送到监测中心,进行相应的处理和判断,从而对结构的健康状态进行评估。若监测到的关键健康参数超过设定的阀值,则通过即时信息(SMS)E-mail等方式及时通知相关的管理机构,以便采取相应的应急措施,以避免造成重大的人员和财产的损失。

1.4 光纤传感器

光导纤维的应用是传感器领域的重大突破,起源于光纤通信技术。在光通信利用中发现当温度、应力等环境条件变化时,引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化,测量光波量的变化,就可知道导致这些变化产生的温度、应力等物理量的大小,根据这些原理便可研制出光导纤维传感器。

光纤传感器所用光纤与普通通讯用光纤基本相同,都由纤芯、包层和涂覆层组成。光纤纤芯的主要成分为二氧化硅,其中含有极微量的掺杂剂,一般为二氧化锗,用以提高纤芯的折射率,形成全内反射条件的弱导光纤将光限制在纤芯中。纤芯的直径在550μm之间,其中单模光纤为9μm,多模光纤为50μm。包层主要成分也为二氧化硅,直径为125μm。涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料,外径为250μm,用于增强光纤的柔韧型、机械强度和耐老化特性[27]。而有些类型的光纤传感器由于使用的场合不同需要对普通光纤做些加工处理,使其对特定的信号更加敏感。

光纤传感器按照是否对所测量的信号进行调制一般可分为两类:非本征型和本征型。非本征型光纤传感器中的光纤,只起信号传输作用,由另外的探测装置对载波光进行调制获取信号,检测原理及所能测量的信号比较简单[28]。因为非本征型光纤传感器中的光纤只起信号传输作用,与普通传感器中的导线作用相当,因而还不能称为严格意义上的光纤传感器。本征型光纤传感器不仅传输信号,也起传感作用,即通过光纤自身的光敏效应、光弹效应、双折射效应、法拉第效应、荧光效应等把待测量调制为光的强度、相位、偏振或者波长的变化。本征型光纤传感器又称为功能型光纤传感器或内调制型光纤传感器、全光纤传感器。通常所说的光纤传感器均指本征型光纤传感器。光纤传感器按照测量的空间分布情况可以分为点传感器、准分布式传感器和分布式传感器。其中后两种传感器是光纤传感器所特有的功能,既能够在用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布,这可以说是传感器技术的根本变革。

光纤传感器系统的基本原理如图5所示:



1.5 光纤传感器系统示意图

激光器发出的光在传感区域受环境信号的调制后经耦合器进入光探测器,解调后而得出环境信号。1.5反射式传感器系统的示意图,若为透射式,则光探测器置于传感光纤的末端。1.5中的传导光纤与传感光纤为一根光纤,但一般传感部分都需经过特别处理以便使光纤只对一种或者几种感兴趣的信号敏感,例如光纤微弯应变传感器通过齿形槽或者两根光纤绞绕使传感光纤部分有一个预变形使其对应变敏感,而布拉格光栅光纤传感器则在传感光纤部分形成了一个或数个芯内体光栅使其对某一个或者几个特定波长的光敏感。因为光纤传感器的调制原理种类非常繁多,特定的传感器必须与相应的光源和解调设备一起使用,因此下文所说的光纤传感器均指光纤传感器系统。

光纤传感器与传统传感器相比有许多优点:(1)质量轻、体积小。普通光纤外径为250μm,最细的传感光纤直径仅为35-40μm,可在结构表面安装或者埋入结构体内部,对被测结构的影响小,测量的结果是结构参数更加真实的反映。埋入安装时可检测传统传感器很难或者根本无法监测的信号,如:复合材料或者混凝土的内部应力或者温度场分布、电力变压器的绝缘检测、山体滑坡的监测等。(2)灵敏度高。光纤传感器采用光测量的技术手段,一般为微米量级。采用波长调制技术,分辨率可达到波长尺度的纳米量级。(3)耐腐蚀。由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料做成,耐环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强,适合于智能结构的长期健康监测。(4)抗电磁干扰。当光信息在光纤中传输时,它不会与电磁场产生作用,因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强。(5)传输频带较宽。通常系统的调制带宽为载波频率的百分之几,光波的频率较传统的位于射频段或者微波段的频率高几个数量级,因而其带宽有巨大的提高。便于实现时分或者频分多路复用,可进行大容量信息的实时测量,使大型结构的健康监测成为可能。(6)分布或者准分布式测量,能够用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布,是传统的机械类、电子类、微电子类等分立型器件无法实现的功能,是传器技术的新发展。(7)使用期限内维护费用低。

总体来看,光纤传感器的研究与应用美国和日本处于领先地位,欧洲紧随其后。美国偏重于军事应用,主要是应变光纤传感器和抗恶劣环境的特种光纤传感器,日本偏重于民用,而欧洲则开展了领域广泛的光纤传感器研究与应用。比较著名的一些光纤传感器设备公司有:美国的Blue Road ResearchIFOS公司等,日本的Idec Izumi公司、Hitachi公司和Sunx公司,欧洲的Smartec, Osmos-group(York Sensors)Ominisens公司等。

1.5 光纤光栅传感器

光纤光栅(Fiber Bragg Grating)传感器属于波长调制型非线性作用的光纤传感器[29]Bragg这个名字起源于X射线结晶学的先驱Bragg父子,他们发现准单色射线源从某一个特定角度入射晶体中,所有的反射光集中到一个特定的方向上,在光纤光栅中也有类似的效果。通过待测量调制入射光束的波长,测量反射光的波长变化进行检测。由于波长是一个绝对参数,不受总体光强水平、连接光纤及耦合器处的损耗或光源能量的影响,因此比其他光调制方式更加稳定。光纤光栅传感器是在光纤的一段范围内沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化而形成的芯内体光栅,是一种准分布式传感器。

1.6 光纤光栅传感原理图

光纤光栅是将通信用光纤的一部分利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光法而制成的一种称为Bragg Grating的纤芯折射率周期性变化光栅。通常的光会全部穿过此Bragg Grating而不受影响,只有特定波长的光(波长为)在布拉格光栅处反射后会再返回到原来的方向 (参照1.6) 在布拉格光栅处施加外力,光栅的间隔产生变化后,反射回来的光的波长也会相应发生变化。Bragg 波长同时受布拉格光栅周期和纤芯有效折射率扰动的影响,因而通过监测布拉格波长的变化即可测出应变和温度扰动。

1978年,Hill等人发现了光纤的光敏性,制作出世界上第一支光纤布拉格光栅(FBG)[30]Meltz等人[31]1989年采用横向侧面曝光技术制作光纤光栅,光纤光栅技术引起了人们的重视。之后各种新的制作方法和各种新型光纤光栅相继被提出,例如:啁啾光栅(CFG)和长周期光纤光栅(LPG)等。随着光纤光栅制造技术的不断完善,应用成果的日益增多,使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。光纤光栅的应用大大提高了光纤器件的性能,在光纤通信和光纤传感领域有着广泛的应用前景。由于光纤光栅的出现,使许多复杂的全光纤通信和传感网成为可能,极大地拓宽了光纤技术的应用范围。

在光纤通信方面,光纤光栅为光纤激光器、波分复用器、光放大器、色散补偿器、波长变换器、光分插复用器和光交叉互连等关键部件提供了很好的解决方案。例如,利用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光纤反馈腔,依靠掺铒光纤等为增益介质即可制成光纤激光器,用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器,可以构成外腔可调谐激光二极管;利用光纤光栅可构成:Michelson干涉型、Mach-Zehnder干涉型和Fabry-Perot干涉型的光纤滤波器;利用非均匀光纤光栅滤波器可以制作成光纤色散补偿器[32]

1.1 基于光纤光栅的光通信器件特点

器件名称

特点

光源

DFB光纤光栅激光器

边模抑制比和频率稳定性均优于DBR (distributed Bragg reflector) ;稳定的功率输出; 可以构成多波长激光器

DBR光纤光栅激光器

可获得比DFB (distributed feedback) 更高的模式选择性, 便于严格控制波长, 获得稳定的单模运行;输出功率高;稳定的功率输出;商用化最好的可调谐激光器

光纤光栅外腔激光器

极低的温度依赖性;极低的阈值电流;很高的边模抑制比;极低的啁啾量;可获得窄线宽的稳定激光输出

波分复用器

与输入光的偏振态无关插入损耗低; 中心反射波长可得到精确控制; 光栅反射带宽可任意选择; 易进行温度补偿, 对外界温度不敏感

光放大器中的应用

稳定泵浦光源的输出激光波长; 使EDFA (erbium-doped fiber amplifier) 的增益平坦化; 抑制EDFAASE (amplified spontaneous emission) 噪声; 能够提高EDFA 的泵浦效率

波长变换器

结构简单; 波长稳定性好; 波长变换无啁啾; 便于光电子集成; 可获得宽的波长变换范围, 实现灵活的虚波长路由

光交叉连接器

单个宽调谐范围的光纤光栅可覆盖整个EDFA 波段; 串扰低; 结构比较简单, 成本低

光分插复用器

插入损耗小; 偏振不敏感; 良好的热稳定性和力学性能; 易实现多波长插分复用; 通道间泄漏低, 串扰低;

色散补偿器

体积小, 结构简单非线性啁啾光栅可产生非线性的时延曲线, 实现高速通信系统上的PMD (polarization mode dispersion)补偿可同时补偿波分复用器所有信道的色散; 色散斜率补偿理想

在光纤传感方面,光纤光栅为光纤传感技术开辟了一个新的应用研究领域,可以制作应力和温度等参量的光纤光栅传感器和传感网络。目前,已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力) 、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等,其中,一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。光纤光栅传感器除具有光纤传感器的所有优点之外,还具有其独特的优点:

  1. 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变,适合埋入大型结构中,可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等,稳定性、重复性好;

  2. 与光纤之间存在天然的兼容性,易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高;

  3. 具有非传导性,对被测介质影响小,又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点,适合在恶劣环境中工作;

  4. 轻巧柔软,可以在一根光纤中写入多个光栅,构成传感阵列,与波分复用和时分复用系统相结合,实现分布式传感;

  5. 测量信息是波长编码的,所以,光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响,有较强的抗干扰能力;

  6. 高灵敏度、高分辩力。

    正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。近几年对波长解调技术的深入研究和不断成熟,已经扩大了光纤光栅传感器的应用,并为智能传感这一新思路创造了的一个新的机遇。智能结构监测,智能油井和管道,智能土木工程建筑,以及智能航空、航海传感都需要高质量、低成本、稳定性好、传感特性精密的光学传感器,光纤光栅传感器阵列由于其波长编码、可同时测量多个物理量(温度、应力、压力等)以及一路光纤上应用波分复用技术等自身的优点在上述领域已经得到了广泛关注。世界著名的油田设备服务商SchlumbergerWeather Ford,在过去的两年里,分别投资超过一个亿美元购买光纤光栅传感器技术,广泛应用于陆地油井和海上石油平台监控。同时,美国国家宇航局专门立项用此传感器对飞行器材料和结构进行优化。美国海军用此传感器进行对舰船潜艇结构进行监控,并在此基础上研究开发超灵敏的光纤光栅的声纳系统。目前国际国内都在为光纤光栅传感器的发展而努力,国际上已经基本实现了光纤光栅传感器的产业化和工程化,如MOICiDRAWeatherford等,而国内主要集中在一些研究单位,仍未完成由实验室向产品过渡的阶段。

1.2 光纤光栅在民用工程领域的应用情况

国家或单位

研究成果

功能

应用情况或潜在的应用领域

加拿大

应力光纤传感器[33]

对桥梁结构进行长期的应力监测

Bedding Ton Trail 大桥上安装了这种装置, 16个光纤光栅贴附在钢增强杆和碳纤维复合材料上

美国

分布式光纤光栅测量系统[33]

监测动态载荷引起的结构响应、退化和损坏

新墨西哥Las Cruces 10 号洲际高速公路的钢结构桥梁的监测, 桥梁上安装了120个光纤光栅

Blue Road Research(美国)

温度、应力光纤光栅传感器, 以及相关技术的专利[34][35]

对桥梁结构等进行健康监测, 以及对生产过程进行监控

在俄勒冈州哥伦比亚河峡谷上的Horsetail Falls桥上安装了这种装置, 28个光纤光栅对桥梁进行健康监测

欧洲的STABILOS 计划

光纤光栅传感系统[36]

测量地下建筑的载荷和静态位移

地下矿井、隧道, 以及储藏山洞的监测, 大坝、桥梁及其他建筑物都是潜在的应用对象

荷兰

光纤光栅传感系统[37]

监测动态载荷

将被应用于钢板的振动测量, 外界环境引起的震动波监测

南洋理工大学的

校产公司

(新加坡)

各种参量的光纤光栅传感器[38]

民用结构的应力、载荷和温度监测, 混凝土固化监测, 结构内部裂缝情况的监测

各种民用结构的健康监测, 一根光纤上最多复用30个光纤光栅

1.7 专利和光纤传感器市场销售额的统计

光纤和光纤光栅传感技术已在通信和光纤传感技术中得到了广泛的应用,并在这些应用领域中显示了它的优越性、不可替代性和在各个领域的极大应用前景[39]。从1992 年以来的市场销售额和专利申报情况可以看出光纤光栅传感技术的发展速度,1.7给出了自1992 年以来专利申报和市场销售额的统计数。从图中可以看出,1992年的市场销售额仅为$1.9×1081997 年为$3.05 × 108,到2002 年增长为$5.5×108,目前已迅速增长为年销售额超过$10×108,预计到2010年将超过$50×108

综上所述,基于光纤光栅的传感技术近年来层出不穷,充分地显示了它的优势,然而光纤光栅传感技术仍然处在迅速发展的阶段。可以预见,随着光纤光栅传感器的商品化和性能的不断提高,光纤光栅必将在传感领域呈现出巨大的活力,在国防和国民经济建设中发挥重要的、不可替代的作用。

1.6 研究方向

光纤光栅可以埋入结构对其内部的应变等参数进行实时的高分辨率和大范围监测,是未来智能结构的集成光学神经,也是目前健康监测首选的传感器。由于光纤光栅具有不受电磁场干扰和光路光强波动影响、具有绝对测量和易于实现波分复用的准分布式传感等突出优点,自Meltz(1989)提出侧向全息法写入以来得到迅猛发展。目前,对光纤光栅传感器的研究方向主要有以下几个方面:

  1. 光纤光栅传感器设计及技术研究:针对工程测量的参量类型、性质、分布等不同要求,需要对光纤光栅传感器的结构进行特殊设计,以保证感测结果的精确性和可重复性。目前,已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等。利用光纤光栅的优点,开发一系列高灵敏度、高分辨率的传感器成为光纤光栅传感技术发展的热点。

  2. 信号解调系统研究:高精度、低成本的波长检测技术是信号解调的应用基础,目前光纤光栅解调设备普遍存在分辨率不高、采样频率低、复用性不够以及成本过高的缺点,开发低成本、小型化、可靠及灵敏的探测技术是光纤光栅传感技术的一个重要方向。

  3. 光纤光栅传感器封装技术的研究。工业施工现场环境比较恶劣,光纤纤细易断,采用先进的封装工艺使得光纤光栅传感器在恶劣的环境中正常工作尤为重要。封装主要考虑如何保护纤细的光纤光栅,并将其集成在结构中进行准确的测量。同时,有效的封装还能在一定程度上提高光纤光栅传感器的测量灵敏度。此外,对于不同的测量要求,需要开发相应的封装方式以适应不同的基体结构。

  4. 光纤光栅传感器的应变传递机制和实用的应变传递计算方法。黄国君等[40]FBG分别表面粘贴于铜、不锈钢和聚合物等材料的基体上,在拉伸试样上测得其应变传递系数分别为0.8910.8910.583,实验证明了不同的材料和封装方式对光纤光栅传感器应变传递有很大的影响。

  5. 应变、温度交叉敏感的问题解决的好坏直接影响到光纤光栅传感器的实用化,而且,多参量同时传感是发展方向。

  6. 光纤光栅传感器稳定性和耐久性问题。大型工程结构的设计使用寿命一般为几十年甚至更长,所以光纤光栅的长期稳定性和耐久性直接影响到光纤光栅传感器在结构长期健康监测的应用。影响光纤光栅稳定性和耐久性的因素很多,如环境温度、湿度、化学腐蚀等。人们发现光纤光栅的中心波长、折射率、反射率会随着时间和温度的变化而变化,虽然变化量很小,但也影响到了传感器的长期稳定性。

  7. 光纤光栅传感网络的研究:分布式、多参量、多功能感测的传感网络系统是实现大型结构体实时监测的希望所在。由于光纤光栅可以灵活的串、并接,并且能够分别对压力、温度、振动等多种参量实时感测,因此,借鉴光复用通信技术,利用光波复用和空间分割,可以构建多维度(线阵、面阵、体阵及其复合)、多参数(力学量、热学量、几何量等)、多功能、分布式(多点准分布式、连续分布式)、智能型(机敏、蒙皮等)传感系统。

  8. 损伤定位及评估技术研究:对于大规模光纤光栅传感网络而言,为保证结构健康监测的实时性,还必须提高传感信号的处理效率,快速有效地区分被测量信号与外部干扰信号,确定传感数据与真值之间的关系,进而确定损伤发生的部位和程度。由于智能材料结构中光纤传感网络分布范围很大,传感网络输出信号可能是大面积的分布信号,且常常呈非线性关系,计算与分析工作量很大。因此,必须研究针对大规模分布式传感网络的快速信号分析和处理算法。

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