FBG及其温度补偿

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-Pérot 空腔传感器(FPI) 及 SOFO 点式光纤传感器等。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，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

式中： n eff 为光纤纤芯有效折射率，Λ 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λB将发生漂移，在光纤的弹性范围内，波长漂移量 ?λB 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。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 ?λB为

式中：11 P，12 P为单模光纤的弹光系数；ν为光纤材料的泊松比；α，ξ分别为FBG的热膨胀系数和热光系数；?T为温度变化量。 3. FBG传感器的优点

FBG 传感器的优点主要体现在：

(1) 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

监测。

(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

4. 温度补偿技术

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

式中ε 为轴向应变， ?λtotal 为应变和温度引起测量光栅的波长漂移量， ?λ温度补偿光

栅的波长漂 移量， ε K 为 FBG 的应变灵敏度系数。 5. 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——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）：

[1] 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)

[2] 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

[3] LEE H W，JIN Z X，SONG M H. Investigation of fiber Bragg grating temperature sensors for applications in electric power systems[C]// Proceedings of SPIE. Beijing：the International Society for Optical Engineering，2005：579–584.

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