非增强式原型封装光纤Bragg光栅钢筋应变计

　　0　引　言

　　重大土木工程结构和基础设施的使用期都很长,不可避免地产生损伤累积和抗力衰减,从而抵抗自然灾害的能力下降,甚至引发灾难性的突发事故[1]。这些事故不仅造成了重大的人员伤亡和经济损失,而且,产生了极坏的社会影响。鉴于此,重要结构的健康监测已经成为土木工程界的研究热点。目前,结构健康监测的基本信息[2]是对结构的应变、速度、加速度和位移等参数的测量。而应变是反映材料和结构力学特性的重要参数之一,从材料和结构中的应变分布情况能够得到构件的强度储备信息,确定构件局部位置的应力集中以及构件所受实际荷载状况,因此,应变的测量对健康监测显得至关重要。钢筋是现代土木结构的主要承力构件之一,它们易受环境腐蚀、疲劳、材料老化等作用而出现损伤,对其监测意义重大。

　　光纤光栅是近十几年来出现的一种新型智能传感元件,其抗潮、抗腐、耐久性强,能在恶劣环境下工作;结构简单,可以根据被测结构的外形改变传感器的形状,满足实测时对传感器的大体积要求;通过改变结构的物理参数,可以方便地改变量程;可靠性好,抗干扰性强[3],而且,易构成传感网络等优点得到世界的关注。然而,裸光纤光栅非常脆弱,尤其是抗剪能力差,不能直接用于实际工程,所以,必需对其进行封装。此外,如果封装后的光纤光栅传感器价格相对于裸光纤光栅昂贵很多,这将很难推广光纤光栅计的大规模应用。因此,发展性能优越、价格低廉的光纤光栅封装传感器具有实际意义。针对上述问题,本文设计了一种廉价的、非增强式原型封装光纤光栅钢筋应变计,并通过静载试验,对其应变传感特性进行了研究。

　　1　FBG应变传感原理

　　光纤光栅的Bragg条件为

　　式中　λ_B为光栅中心波长, nm; n_eff为有效折射率;Λ为光栅周期,nm。当光波传输通过FBG时,满足Bragg条件的光波将被反射回来,这就是FBG的基本工作原理。对于原型封装钢筋应变计,不考虑波导效应,光纤光栅具有以下应变响应特性

　　式中　Δλ_B为波长变化, nm; p₁₁,p₁₂为光弹常数;ν为泊松比(无量纲);ε为应变。

　　式(3)即为假定没有温度作用的光纤光栅中心波长变化与应变增量的关系[4],对于纤芯是纯石英的光纤情况,n_eff=1.456,p₁₁=0.121, p₁₂=0.270,ν=0.17,若分别取中心波长为1545, 1550, 1 555 nm,可得应变传感灵敏度系数分别为1. 205, 1. 209, 1. 212pm /×10-6。由此表明:中心波长变化不大时,每微应变产生的波长约为1. 2 pm,即αε=1. 2×10^-6左右。由于采用的光纤不同、写入光栅的工艺不同以及退火工艺的差别,不同光纤光栅的传感灵敏度会有差异,因此,不同的光纤光栅必须经过标定才能用作实际测量[4]