FBG及其温度补偿

1、题目：布拉格光纤光栅传感技术(Fibre Bragg Grating)及其温度补偿技术摘要：在大型土木工程结构如桥梁等的施工控制及监测中，以前主要采用常规的电类传感测 量技术如电阻应变片、钢弦计等。但电阻应变片发生的零点漂移会使其长期测试的结果严 重失真；钢弦计的灵敏度和稳定性虽然较好，但因钢弦丝长期处于张紧状态,蠕变因素影响 较大。由于常规的电类传感检测手段普遍存在传感元件寿命短、测量易受环境影响、不能进 行分布测量等缺点，因而均难以实现对重大工程结构安全状态的长期监测。自从用光纤传感 器来对桥梁监测进行监测以来，光纤光栅传感技术FBG已广泛应用在桥梁等重大土木工程 的监测中。FBG不仅分辨

2、率高，所测的应变位置明确易定，且能使用波分复用技术在一根光纤中 串接多个传感器，实现真正意义上的多点线式分布测量。因此，FBG在很大程度上弥补以 上几种传感器的不足，并成为光电传感领域的研究热点。美国、德国、加拿大和英国等都在 致力于FBG及解调系统的研究。我国对其的研究相对晚一些，但是也有较大进展。关键字：Fibre Bragg Grating(FBG)、光纤光栅、温度补偿、大型基础土木工程正文：1.引言工程结构监测领域主要的光纤传感器主要包括光纤Bragg光栅传感器(FBG)、Brilliouin 光时域反射计(BOTDR)、Fabry-Perot空腔传感器(FPI)及SOFO点式光纤传感

3、器等。FPI和 SOFO分辨率高，但受信号传输和解调技术的限制，布点数量有限，还不能从根本上突破点 式测量的局限，比较适用于结构重点部位的监测。分布式的BOTDR可对结构进行大范围监 测，但分辨率较低，测得应变是所在位置后面一定距离(空间分解率)的平均应变值。而FBG 不仅分辨率高，所测的应变位置明确易定，且能使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传 感器，实现真正意义上的多点线式分布测量。2. FBG布拉格光纤光栅传感技术原理FBG的基本原理是当光栅受到拉 伸、挤压及热变形时，检测光栅反射 信号的变化。以工程结构的应变监测 为例，荷载由结构传递至纤芯的光栅 区域，导致光栅区域内栅距发生变化，

4、从而使纤芯的折射率随之变化，进而 引起反射波长的变化，通过测量反射 波长的变化便可得出被测结构的应变 变化。FBG应变监测系统如图1所示。 由宽带光源(LED)发出的光波首先经 过3-dB光纤耦合器，耦合器引导光 波到达FBG传感器，一部分光波从光 栅中透射出去，同时一部分反射光波 返回耦合器并由光谱分析仪接受。反 射的中心波长，即Bragg波长可表示为(1)式中:neff为光纤纤芯有效折射率，A为光栅的栅距(每个写入光栅之间的距离，也称光栅周期)。当光栅区域的应变发生变化时，反射波长Xb将发生漂移，在光纤的弹性范围内， 波长漂移量入b与应变变化呈线性相关，即根据波长的漂移量便得到应变变化量。

5、除光栅 区域的应变变化引起Bragg波长漂移外，温度的变化对其也有一定影响，二者共同引起的入B为式中：11 P，12 P为单模光纤的弹光系数；v为光纤材料的泊松比；a，&分别为FBG的热膨 胀系数和热光系数；AT为温度变化量。FBG传感器的优点FBG传感器的优点主要体现在：集传感和传输于一体，可较容易对大型基础工程(隧道、堤防和边坡等)实现远程自动化I-监测。A4 坏.+乩宜-2 - -(2) 一根光纤上根据应用要求写入多个不同Bragg波长的光栅，从光纤一端可实现所有光栅信号的检测，如果集合成分布传感网 络，可对工程结构的应力、应变、温度等参数进行全方位、实时准分布式监测。(3)传感信息是以

6、波长为编码的绝对测量，可使传感器能够自校准，测量信号不受光的波 动、系统与光源功率和连接损耗等因素的影响，光纤微弯效应不会影响传感信号的波长特 性，稳定性好。且系统在重新启动后，传感系统获得的传感信息不会丢失。(4) FBG是非金属、绝缘材料，并采用光信号作为载体，具有很高的传感精度，还能够抗电 磁干温度补偿技术UIIIIII图4作移器在RS也2的的饵麻圄堤晔I七I *1Fag 4 Schnvnauic di-agram 冲 FBG stiissir adhesive incthoti qernwn rf ftiniwl根据FBG的传感原理及其表达式可 知，由于光纤光栅FBG对应变与温度同时

7、敏感，使得通过测量光纤光栅耦合波长移 动无法对应变与温度加以区分，所以用其 作为应变传感元件时，应消除温度所带来 的影响，在应用中必须对FBG传感器采 取消除温度敏感的措施以补偿。具体做法 是：在一根光纤上同时串联应变测量光栅 和温度补偿光栅(如图4所示)。测量光栅 受应变和温度同时作用，温度补偿光栅由于悬空仅受温度影响，而不受结构的作用。二者处 于同一温度场中，它们对环境温度的变化具有相同的响应，即温度变化引起二者波长变化量 相同，在测量光栅的波长漂移中扣除温度变化引起的波长漂移，便得到应变单独作用引起的 波长漂移，从而达到温度补偿的目的，即E = M匚=1 一 ;二一*： 一二 式中为轴向

8、应变，入total为应变和温度 引起测量光栅的波长漂移量，入温度补偿光 栅的波长漂移量， K为FBG的应变灵敏度系数。结论FBG是一项广泛应用于大型土木工程的监测的传感技术，其性能使其成为管道、隧道等 大型洞类工程的检测主力。BFG又拥有了其它光纤传感器的优点一一即分辨率高，所测的应 变位置明确易定，且能使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传感器。这使得BFG能够 真正的实现多点线式分布测量。而为了解决FBG的波长漂移对应变与温度的交叉敏感问题， 提出相应的温度补偿技术，24 h连续监测表明，1 d内的温度变化对温度传感系统的Bragg 波长变化影响不大。参考文献(References)：光纤Bragg光栅传感技术在隧道监测：中的应用赵星光1，邱海涛2 (1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083； 2.昆明理工 大学 国土资源工程学院，云南 昆明650093)卢哲安，江志学，石玉华，等.光纤光栅传感技术在桥梁监测中的应用研究J.武汉理工大学学报LEE H W, JIN Z X, SONG M H. Investigation of fiber Bragg grating temperature sensors for