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
（ 广东金 融学院 计算机科学－ ９应用 系， 广东 广州 ５ ０ ２ ） １５ 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
极 端 情 况 下 引 发 灾 难 性 的 突 发 事 故 。 因 此 ， 了保 障 结 构 的 安 全 性 、 整 性 、 用 性 与 耐 久 性 ， 建 成 使 用 为 完 适 已 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 、 复 和 控 制 损 伤 ； 新 建 的结 构 修 对
ｌ引 言
现代 大型 工程结 构 ， 如桥 梁 、 跨空 间结 构 、 层 建筑 、 利工 程 、 下 工程 等 ， 们 的使 用期 长达 几 例 大 高 水 地 它
十年 、 至上百 年 ， 境侵 蚀 、 料 老 化和 荷载 的长 期效 应 、 劳 效应 与 突变效 应 等灾 害 因素 的耦合 作 用将 甚 环 材 疲 不 可 避 免 地 导 致 结 构 和 系 统 的 损 伤 积 累 和 抗 力 衰 减 ， 而 抵 抗 自然 灾 害 、 至 正 常 环 境 作 用 的 能 力 下 降 ， 从 甚
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第２ ７卷
第 ２期
大 庆 师 范 学 院 学 报
Ｊ ＲＮＡＬ ＯＦ ＤＡＯ Ｎ ＮＯＲＭＡＬ ＵＮＩ ＲＳＴ ＯＵ Ｉ Ｇ ＶＥ Ｉ Ｙ
Ｖ０ ． ７ Ｎｏ． １２ ２
２０ Ｏｒ ７年 ４月
Ａｏ ｉ． ０ ７ ｒ ２ ０ 健康 监测 是利 用 现场 的无损 传 感 与结 构 系统 特 性 分 析 （ 括结 构 反 应 ）探 测 结 构 的变 化 ， 示 包 ， 揭 结 构 损 伤 与 结 构 性 能 劣 化 。 对 结 构 的 应 变 、 速 度 、 度 、 移 、 转 等 参 数 的 监 测 是 结 构 健 康 监 测 的基 本 加 速 位 旋 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 ， 传 感 器 允 许 的 情 况 下 结 合 损 伤 识 在
和 设 施 总 结 以往 的 经 验 和 教 训 ， 设 长 期 的 健 康 监 测 系 统 和 损 伤 控 制 系 统 ， 监 测 结 构 的 服 役 安 全 状 况 ， 增 以 并 为研 究 结 构 服 役 期 间 的 损 伤 演 化 规 律 提 供 了 有 效 的 、 接 的方 法 。结 构 健 康 监 测 已 经 成 为 世 界 范 围 内 直
以 实 现 点 测 量 ， 可 以 实 现 准 分 布 式 测 量 ； 量 动 态 范 围 只 受 光 源 谱 宽 的 限 制 ， 存 在 多 值 函 数 问 题 ； 出 也 测 不 检
量 是波 长信 息 ， 此 不受 接头 损失 、 沿程损 失 等 因素 的影 响 ； 环境 干扰 不敏 感 ， 电磁干 扰 ； 长编码 ， 因 光 对 抗 波
了 崭 新 的 途 径 ， 其 是 以 光 纤 光 栅 为 代 表 的 光 纤 传 感 元 件 的 出 现 与 发 展 ， 是 为 这 一 热 点 课 题 提 供 了 广 阔 尤 更 的 生 机 。光 纤 光 栅 传 感 器 的 优 点 主 要 表 现 为 ： 久 性 好 ， 于 长 期 监 测 ； 火 花 ， 于 特 殊 监 测 领 域 ； 可 耐 适 无 适 既
器 很 难 满 足 这 样 的 要 求 。 而 新 型 智 能 传 感 材 料 的 出 现 ， 光 纤 、 电 材 料 、 状 记 忆 合 金 、 纤 维 、 阻 应 如 压 形 碳 电
变 丝 、 劳 寿 命 丝 、 导 体 材 料 等 较 好 地 解 决 上 述 问题 。 疲 半 随 着 智 能 感 知 材 料 的 发 展 ， 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 高
可 以方 便 实 现 绝 对 测 量 ； 根 光 纤 单 端 检 测 ， 尽 量 减 少 光 纤 的 根 数 和 信 号 解 调 器 的 个 数 ； 号 、 据 可 多 单 可 信 数 路 传 输 ， 于 与 计 算 机 连 接 ， 位 长 度 上 信 号 衰 减 小 ； 敏 度 高 ， 度 高 ； 纤 光 栅 尺 寸 小 ， 量 值 空 间 分 辨 便 单 灵 精 光 测 率 高 ； 出 线 性 范 围 宽 ， １０ ０ 微 应 变 范 围 内 波 长 移 动 与 应 变 有 良好 的线 性 关 系 ； 带 宽 ， 噪 比 高 等 。 输 在 ００ 频 信
全 状 况 的 参 数 进 行 监 测 ， 价 结 构 的 安 全 性 、 久 性 ， 维 修 、 全 报 警 决 策 提 高 可 靠 的依 据 。 而 工 程 结 构 评 耐 为 安
与 设施 往往 处于 较恶 劣 的环境 中 ， 就要 求传 感 器必 需 满 足耐 久性 、 定 性 、 结 构 相 容性 。传 统 的传 感 这 稳 与
别技 术 确定损 伤 的位置 ， 估损 伤程 度 ， 测 剩余 的有 效 寿命 。 评 预
典 型 的结 构 健 康 监 测 系 统 组 成 如 图 １ 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 所 尤 为关 键 。健康 监测要 求 利用性 能 稳定 、 久 性好 的传感 元 件 ， 人或 附 着 于 结构 中 ， 最 能 反 映 结构 安 耐 埋 对
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 ： 康 监 测 ； 纤 光 栅 ； 装 ； 变 监 测 健 光 封 应
作者简介 ： 袁雪松（ ９ １ ， ， １７ 一） 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。 中图分 类号 ：Ｐ １ 文献标识码 ： 文章编号 ：０ ６—２６ （０ ７ ０ ０ ３ ０ 收稿 日期 ：０ ６—１ ２ Ｔ２２ Ａ １０ １５ ２０ ）２— ０ ７— ５ ２０ ０— ３