基于白光干涉原理的光纖傳感技術(shù)－Ⅰ．光纖傳感器與智能結(jié)構(gòu)

苑立波

（1．哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院 光子科學(xué)與技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001；2．黑龍江省光纖傳感科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

0 引 言

光纖傳感器以其在復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)啟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域——光纖智能結(jié)構(gòu)，從而使建筑結(jié)構(gòu)工程師可以在他們的設(shè)計(jì)中引入光纖傳感系統(tǒng)。用這些傳感系統(tǒng)裝備的高樓、大壩和橋梁等建筑結(jié)構(gòu)就擁有了一個(gè)信息傳送中樞系統(tǒng)，它能夠在地震或暴風(fēng)雨后，或者是在使用一段時(shí)間后報(bào)告這些建筑結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

智能結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)首先需要有一個(gè)能夠感知并傳導(dǎo)材料變化的神經(jīng)系統(tǒng)，并且該神經(jīng)系統(tǒng)本身可以作為材料結(jié)構(gòu)的一部分。光纖傳感技術(shù)由于具有以下特點(diǎn)，因此可以用來(lái)充當(dāng)這種神經(jīng)系統(tǒng)：①光纖傳感器具有尺寸小和較好的柔韌性的特點(diǎn)，因此可以直接集成到復(fù)合材料中；②在一條光纖光路中可以集成多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，從而降低傳感系統(tǒng)的造價(jià)并減少輸入和輸出的連接點(diǎn)數(shù)量；③由于光纖材料自身的特性，光纖傳感器是電絕緣的，而且不受電磁場(chǎng)的干擾。

本研究的目的是介紹基于光纖白光干涉的傳感器設(shè)計(jì)、復(fù)用和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用改進(jìn)的白光干涉光纖傳感技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的要求。重點(diǎn)介紹如下幾個(gè)方面：

1）埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖應(yīng)變傳感器單元的設(shè)計(jì)；

2）光纖保護(hù)層對(duì)埋入式傳感器性能影響的理論分析模型；

3）埋入式光纖白光干涉?zhèn)鞲衅鞯牧W(xué)性能和熱性能；

4）光纖白光干涉?zhèn)鞲衅鞫嗦窂?fù)用技術(shù)的理論和試驗(yàn)；

5）光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)在大型智能結(jié)構(gòu)中的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其環(huán)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

光纖傳感系統(tǒng)可以感知應(yīng)力和溫度信息。由于光纖既可作為感知器又可作為傳輸數(shù)據(jù)的信道，因此理論上可以測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度上任意一點(diǎn)所受的應(yīng)變和溫度。這個(gè)獨(dú)特的特性使光纖能夠在監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的潛在危險(xiǎn)提供早期預(yù)警，也可以檢測(cè)地面運(yùn)動(dòng)或超載造成的結(jié)構(gòu)中某處的超額應(yīng)力。此外，還可以將一根標(biāo)準(zhǔn)的光纖分布安裝在一個(gè)或一組建筑結(jié)構(gòu)中，用來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中的過(guò)熱點(diǎn)并給出過(guò)熱點(diǎn)的具體位置。這種光纖傳感技術(shù)可以在極早期發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的斷裂或火災(zāi)，從而可以最大限度地減少人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。

這種新的光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)有4個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域：①結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和損傷評(píng)估；②實(shí)驗(yàn)力學(xué)的應(yīng)力分析與測(cè)量；③周界安全的監(jiān)測(cè)與預(yù)警；④系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告和管理控制。

首先，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和損傷評(píng)估包括對(duì)不同種類(lèi)混凝土結(jié)構(gòu) （如混凝土梁、柱、拱和板）的彎曲和撓度的測(cè)量；其次，由于很難對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場(chǎng)建立準(zhǔn)確的模型，因此在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析領(lǐng)域，可以利用光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)測(cè)量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場(chǎng)，然后通過(guò)比較應(yīng)變場(chǎng)和撓度的實(shí)際測(cè)量值和模型計(jì)算值確定更精確的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的安全性并降低建造成本；光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)特別適合的第三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是目前市場(chǎng)需求日益凸顯的周界安全的監(jiān)護(hù)與預(yù)警，如：國(guó)境邊界線(xiàn)的入侵警戒與防護(hù)；圍欄的懸掛式防衛(wèi)；高速公路兩側(cè)以及飛機(jī)場(chǎng)周界的防護(hù)；核電站等重要區(qū)域的周邊防護(hù)警戒；第四種應(yīng)用包括橋梁的交通流量測(cè)量和機(jī)場(chǎng)跑道的監(jiān)測(cè)。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠確定大型或高速卡車(chē)通過(guò)橋梁時(shí)超載路段的長(zhǎng)度和頻率，也可以監(jiān)測(cè)機(jī)場(chǎng)跑道的飛機(jī)著陸情況。傳感系統(tǒng)獲得的這些信息可以幫助我們?cè)u(píng)估類(lèi)似事件對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的影響。

基于以上考慮，發(fā)展實(shí)際的白光干涉光纖傳感和測(cè)量技術(shù)是十分重要的?？蔀樵O(shè)計(jì)和制作實(shí)際的監(jiān)測(cè)系統(tǒng) （易于運(yùn)輸和安裝、成本低、可靠性高、可以多點(diǎn)測(cè)量和多路復(fù)用）提供理論與技術(shù)上的支持。為深入開(kāi)展工程技術(shù)研究，如：國(guó)家邊境安防，機(jī)場(chǎng)、核電站等重要區(qū)域的周界警戒；水庫(kù)大壩、橋梁、山體斜坡、高速公路或超高層建筑等大型結(jié)構(gòu)中安裝或埋入光纖傳感器的實(shí)際工程技術(shù)應(yīng)用提供了有價(jià)值的方法和經(jīng)驗(yàn)。

光纖傳感器 （FOS）技術(shù)的研究已經(jīng)有40a的歷史。與之前的電傳感器相比，光纖傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)正在改變現(xiàn)有產(chǎn)品的制作方式，并為許多新系統(tǒng)的出現(xiàn)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。重量輕、尺寸小、抗高溫和抗電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)使光纖傳感技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在光纖智能結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景?；谶@一原因，近年來(lái)分布式和多路復(fù)用光纖傳感引起了人們廣泛的研究興趣，發(fā)展了多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)全光纖傳感系統(tǒng)。目前已經(jīng)有多種成功用于智能結(jié)構(gòu)的光纖傳感器案例，如光纖布拉格光柵傳感器，基于布里淵散射的BOTDR系統(tǒng)等。本研究主要集中在測(cè)量分區(qū)以及區(qū)域內(nèi)平均尺度較長(zhǎng)的白光干涉光纖傳感技術(shù)，因?yàn)樵诒姸嗟慕ㄖY(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，必須采用大尺度傳感器才能實(shí)現(xiàn)區(qū)域測(cè)量目標(biāo)。基于大型建筑結(jié)構(gòu)的要求，進(jìn)一步發(fā)展白光干涉光纖傳感技術(shù)，如大尺度光纖傳感器的設(shè)計(jì)及其復(fù)用技術(shù)、提高光纖傳感器多路復(fù)用能力的方法和傳感器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的意義。

除了具備光纖傳感器所共有的優(yōu)點(diǎn)，白光干涉技術(shù)還可以進(jìn)行絕對(duì)形變的測(cè)量，這對(duì)以高相干度激光為光源的傳統(tǒng)光纖干涉儀來(lái)說(shuō)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。光纖白光干涉儀的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要使用相對(duì)復(fù)雜的時(shí)域或頻域復(fù)用技術(shù)，就可以在空間相干域?qū)⒍鄠€(gè)傳感器的信號(hào)復(fù)用到一路光信號(hào)中。另外，由于白光光纖干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的傳感器部分僅由一段標(biāo)準(zhǔn)光纖構(gòu)成，因此傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于制作和安裝，并且傳感器的長(zhǎng)度選擇具有很大的靈活性，可以短至幾厘米，也可以長(zhǎng)至數(shù)十米甚至數(shù)百米。以上這些特性使白光光纖傳感系統(tǒng)對(duì)使用者具有顯著的吸引力。

1 智能結(jié)構(gòu)的概念

20世紀(jì)末多學(xué)科的交叉應(yīng)用使工程設(shè)計(jì)理念發(fā)生了革命性的改變，并賦予無(wú)生命的結(jié)構(gòu)以智能的特性。材料和結(jié)構(gòu)工程、傳感系統(tǒng)、執(zhí)行和控制系統(tǒng)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科的相互融合產(chǎn)生了多種多樣的結(jié)構(gòu)［1］，其重要性見(jiàn)圖1。這一新技術(shù)的應(yīng)用可以使某一結(jié)構(gòu)能夠感知、響應(yīng)外界的環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)自身的狀態(tài)。這一轉(zhuǎn)向工程學(xué)科的范例意義深遠(yuǎn)，使得我們得以看到未來(lái)這一技術(shù)的影響。

圖1 材料與結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、執(zhí)行與控制系統(tǒng)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等4個(gè)學(xué)科相互交叉形成的結(jié)構(gòu)特性 ［Measures，1992］Fig．1 Structure possibilities created by the confluence of four disciplines：materials and structures，sensing system，actuator control systems，and adaptive learning neural network［Measures，1992］

“智能”這一術(shù)語(yǔ)已廣泛用于我們?nèi)粘Ｓ谜Z(yǔ)之中［2］，而自診斷是智能結(jié)構(gòu)發(fā)展的第一步。當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生故障或受到損壞時(shí)，如果自身不能感知，那么就很難稱(chēng)之為 “智能”。在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自診斷功能的眾多方法中，將光纖傳感器集成到結(jié)構(gòu)中是最有發(fā)展前景的方法之一，通常稱(chēng)之為 “結(jié)構(gòu)集成”。所謂 “結(jié)構(gòu)集成”，就是將傳感器固定在結(jié)構(gòu)表面或埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并將傳感器看作整個(gè)結(jié)構(gòu)的一部分，從而使結(jié)構(gòu)具有內(nèi)置的傳感特性。這種傳感系統(tǒng)能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)主結(jié)構(gòu)的狀態(tài)并對(duì)施加在主結(jié)構(gòu)上的載荷 （熱載荷和機(jī)械載荷）作出響應(yīng)，因此在許多工業(yè)領(lǐng)域能夠提高其安全性能和經(jīng)濟(jì)效益。

Measures在1989年對(duì) “智能結(jié)構(gòu)”進(jìn)行了闡述［3］，提出 “被動(dòng)控制式智能結(jié)構(gòu)”是指在結(jié)構(gòu)中集成了光纖傳感系統(tǒng)以檢測(cè)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；而 “主動(dòng)控制式智能結(jié)構(gòu)”除了包含結(jié)構(gòu)集成的光纖傳感系統(tǒng)，還有執(zhí)行系統(tǒng)；1990年Wada等人提出將僅包含傳感元件的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為 “感知結(jié)構(gòu)”更合適［4］。本文中，將下面3類(lèi)統(tǒng)稱(chēng)為智能結(jié)構(gòu)：①結(jié)構(gòu)集成的傳感系統(tǒng)；②結(jié)構(gòu)集成的傳感和執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行控制系統(tǒng)使用感知信息來(lái)改變結(jié)構(gòu)狀態(tài)；③結(jié)構(gòu)集成的傳感和執(zhí)行系統(tǒng)，并能夠從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)。

本文所提及的傳感系統(tǒng)主要是指基于光纖技術(shù)的傳感系統(tǒng)。

2 光纖傳感器在智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

由于受研究人員的偏見(jiàn)和知識(shí)局限性的影響，對(duì)任何新產(chǎn)生的學(xué)科進(jìn)行準(zhǔn)確地描述都不是一件容易的事。然而，總會(huì)存在一些人們普遍認(rèn)可的用于表征事物發(fā)展經(jīng)過(guò)的里程碑事件。1978年Butter and Hocker［5］證明了光纖干涉法測(cè)量機(jī)械載荷對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變，可以看作光纖結(jié)構(gòu)傳感領(lǐng)域最早的里程碑之一；Varnham等人［6］介紹的基于偏振的光纖應(yīng)變儀也很重要，此傳感器說(shuō)明了如何隔離傳感區(qū)域與利用不敏感光纖連接導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成局部傳感器；Corke等人［7］使用相同的原理制作了局域光纖溫度傳感器；Valis等人［8］指出 “應(yīng)變張量”的測(cè)量對(duì)于唯一確定結(jié)構(gòu)應(yīng)變狀態(tài)的重要性，并研制了第一個(gè)實(shí)用的光纖應(yīng)變花 （strain rosette）［9］，同時(shí)也證明了為什么光纖結(jié)構(gòu)傳感器比傳統(tǒng)的應(yīng)變計(jì)更適合在材料中集成；Lee和Taylor提出在光纖端面鍍上一層TiO2，然后把這段光纖與另一段光纖熔接在一起，從而在光纖內(nèi)形成反射鏡的可行性［10］。他們利用這一方法在光纖內(nèi)制作了兩個(gè)反射鏡，形成了第一個(gè)內(nèi)腔式光纖法布里－珀羅干涉儀。這一裝置表明光纖應(yīng)變計(jì)具有尺寸小，靈敏度高，輸入光纖不靈敏的特點(diǎn)；與此同時(shí)，Murphy等人于1991年介紹了外腔式光纖法布里－珀羅干涉儀［11］。

1978年Hill等人在光纖智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展［12］，他們發(fā)現(xiàn)了利用紫外線(xiàn)照射在光纖芯內(nèi)刻寫(xiě)布拉格光柵的方法；Meltz將這一發(fā)明轉(zhuǎn)化成了實(shí)用器件［13］，并指出了用波長(zhǎng)為248nm的紫外線(xiàn)對(duì)GeO2摻雜光纖的一段進(jìn)行橫向全息照射可制成外芯布拉格光柵的可能性；Morey指出這樣的光纖布拉格光柵可以使光應(yīng)力計(jì)具有較高靈敏度而光纖連接導(dǎo)線(xiàn)并不靈敏［14］。這種類(lèi)型的傳感器的很多性能優(yōu)于法布里－珀羅傳感器，例如傳感器尺度的多樣性和生產(chǎn)的自動(dòng)化即在制作光纖的過(guò)程中用強(qiáng)紫外線(xiàn)閃光照射即可完成光柵的制作［15－18］。橫向 全息光柵寫(xiě)入方法已基本被成本更低的相位掩膜技術(shù) （phase mask technique）取代［19］。1992年，Measures等人開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)易的被動(dòng)讀取光纖光柵的方法［20］。目前，越來(lái)越多的光纖布拉格光柵問(wèn)訊系統(tǒng)已被世界上許多公司商用化。

Sirkis和Haslach首先認(rèn)識(shí)到在將光信號(hào)解釋成基體材料的應(yīng)力之前，應(yīng)對(duì)一些主要問(wèn)題進(jìn)行論述，無(wú)論此光信號(hào)是來(lái)自法布里－珀羅干涉儀的相位變化還是布拉格光柵傳感器的波長(zhǎng)變化［21］。

任何重視結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性的復(fù)合材料用戶(hù)都將受益于簡(jiǎn)單的內(nèi)置光纖損傷測(cè)試系統(tǒng)。嵌入光纖的斷裂是一種最簡(jiǎn)易的損傷評(píng)價(jià)技術(shù)。最初為實(shí)現(xiàn)這一概念的嘗試而構(gòu)建的系統(tǒng)只能檢測(cè)重度損傷［22－23］。Measures等設(shè)計(jì)了一種特殊的刻蝕處理方法，這種方法使光纖的損傷靈敏度可調(diào)整到幾乎肉眼看不出的沖擊損傷［24］。嵌入到飛行器機(jī)翼前緣的剛體成功展示了這種光纖能夠檢測(cè)沖擊引起的斷層區(qū)域的能力［25－26］。

光纖結(jié)構(gòu)傳感器的多路復(fù)用串行和并行陣列及分布式應(yīng)力測(cè)量代表了當(dāng)前光纖結(jié)構(gòu)傳感的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域的焦點(diǎn)。一些課題組包括美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn) 室 （the U．S． Naval Research Laboratory）［27－28］，肯特大學(xué) （University of Kent）［29］，南安普頓大學(xué) （University of Southampton）［30－32］和多倫多大學(xué) （University of Toronto）［33］已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了重大成就。

專(zhuān)題會(huì)議的出現(xiàn)是確認(rèn)新研究領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的晴雨表。1988年SPIE在波士頓首次主辦的光纖智能結(jié)構(gòu)和皮膚會(huì)議也可歸類(lèi)為光纖結(jié)構(gòu)傳感領(lǐng)域［34］。美國(guó)于1991年11月組織的有關(guān)活性材料和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的研討會(huì)是第一個(gè)涵蓋了智能自適應(yīng)結(jié)構(gòu)各個(gè)領(lǐng)域的國(guó)際會(huì)議。但早在1990年，在夏威夷的檀香山 （Honolulu）就舉辦了美日智能材料和系統(tǒng)的專(zhuān)題研討會(huì)［35］。

專(zhuān)門(mén)學(xué)術(shù)雜志的創(chuàng)辦也是對(duì)一個(gè)新領(lǐng)域認(rèn)可的更清晰的標(biāo)志。1990年Technomic Publishing，Inc出版社Craig Rogers主編出版了 《智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)》；1992年英國(guó)物理學(xué)會(huì) （the Institute of Physics）的 Richard O．Claus，Gareth J．Knowles，和Vijay K．Varadan主編了 《智能材料與結(jié)構(gòu)》。

這一領(lǐng)域的第一個(gè)主題為用于智能復(fù)合材料（OSTIC）的光傳感技術(shù)的歐洲計(jì)劃于1988年作為BRITE－EURAM項(xiàng)目發(fā)起的［36］。這一計(jì)劃旨在復(fù)合材料中演示動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量以及利用單根傳感光纖同時(shí)檢測(cè)應(yīng)力和溫度。前一目標(biāo)由開(kāi)發(fā)了相干多路復(fù)用偏振計(jì)傳感器的Bertin et Cie負(fù)責(zé)［37］。斯特拉思克萊德大學(xué) （University of Strathclyde）主要承擔(dān)了后一研究目標(biāo)的工作［36］。

1992年12月首次發(fā)起了用于建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的光纖傳感系統(tǒng)的BRITE－EURAM II計(jì)劃，其中包括來(lái)自5個(gè)國(guó)家的8個(gè)研究機(jī)構(gòu)和5個(gè)工業(yè)實(shí)體［38］。這個(gè)3a計(jì)劃的目標(biāo)是要演示民用和軍用工程的傳感器。然而在民用工程中考慮了高度加壓的基體，例如斜拉索、懸吊纜、繃?yán)K地錨和預(yù)應(yīng)力筋用錨具。

1993年首次在一座新建的公路橋的預(yù)澆筑混凝土橋梁中埋入了光纖結(jié)構(gòu)傳感器陣，這是光纖結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)重大里程碑［39］。加拿大南部的卡爾加里 （Calgary）的Beddington Trail Bridge首次在橋梁中使用了碳化纖維，進(jìn)一步提高了此進(jìn)展的重要性［40］。在600d中對(duì)各傳感器進(jìn)行不定期監(jiān)測(cè)以跟蹤碳化纖維和鋼筋所經(jīng)受的應(yīng)力消除。

第一座所謂的 “智能橋梁”為革新結(jié)構(gòu)智能傳感核心網(wǎng)的形成開(kāi)創(chuàng)了先例。這個(gè)重大的加拿大新方案是為了發(fā)展并將復(fù)合材料與光纖結(jié)構(gòu)傳感應(yīng)用到建筑工業(yè)中而確立的。這項(xiàng)工作最初是基于如圖2所示的5個(gè)主旨展開(kāi)的。為規(guī)劃一持續(xù)性的5a研究計(jì)劃，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) （the U．S．National Science Foundation），州立高速公路管理局和新澤西交通部 （the New Jersey Department of Transportation）的資助下，召開(kāi)了一個(gè)國(guó)際性研討會(huì)。這個(gè)5a計(jì)劃的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光纖傳感技術(shù)在建筑材料和橋梁中的應(yīng)用［41］。

在易震區(qū)急需改善建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高抗破壞性地震的能力和開(kāi)發(fā)可減輕地震影響的技術(shù)。為便于最新信息的流通和傳播包括全面測(cè)試和新技術(shù)演示，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) （the U．S．National Science Foundation）專(zhuān)門(mén)成立了結(jié)構(gòu)控制研究小組［42］。

圖2 智能橋梁的五大主題Fig．2 Five themes of smart bridge

過(guò)去20a光纖結(jié)構(gòu)傳感領(lǐng)域經(jīng)歷了從相當(dāng)粗糙的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究到可與傳統(tǒng)技術(shù)相抗衡的商業(yè)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)變。然而使這項(xiàng)技術(shù)方興未艾的是新型測(cè)量而不是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)用化，例如大尺度、串行復(fù)用和真正意義上的分布測(cè)量系統(tǒng)等。與此監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展相媲美的是挑戰(zhàn)鋼材在建筑工業(yè)領(lǐng)域和鋁制品在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的先進(jìn)合成材料的出現(xiàn)，各種各樣新技術(shù)的結(jié)合將引領(lǐng)多功能智能材料新時(shí)代的前沿。

3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需求

為什么建筑物需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)呢？Aktan等給出了兩個(gè)原因說(shuō)明了為何要將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)嵌入橋梁中［43］：①我們需要了解橋梁的實(shí)際承載環(huán)境和相應(yīng)的橋梁響應(yīng)。目前在我們對(duì)橋梁的實(shí)際承載尤其是極限承載的理解和橋梁所經(jīng)歷的承載之間存在重大差距，對(duì)于橋梁的壽命和老化的理解這一差距變得更為顯著；②結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可決定這種自動(dòng)采集的信息能否減少目測(cè)的需求從而提供一個(gè)趨于破損的客觀指標(biāo)。

為什么要用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)呢？這是很多正面對(duì)新技術(shù)的工程師們提出的很有道理的問(wèn)題，這里我們需要做一些論述。光纖傳感器可以進(jìn)行一些對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)不實(shí)際或不經(jīng)濟(jì)的測(cè)量，例如金屬箔式應(yīng)變計(jì)。光纖傳感器在很多方面優(yōu)于基于電的傳感器比如尺寸小，重量輕，對(duì)應(yīng)變和溫度變化敏感，抗腐蝕，抗疲勞，廣帶寬等。光纖具有絕緣性可與FRP復(fù)合材料或混凝土兼容；操作安全；不易起火或爆炸，不受電磁波干擾，不影響基體結(jié)構(gòu)中的電路。

無(wú)需任何措施防止閃電及各種各樣的電磁波的特性使光纖傳感器成為監(jiān)測(cè)大型民用建筑和空間飛行器的首選。對(duì)于布線(xiàn)于大型建筑中的電傳感系統(tǒng)，即使沒(méi)有直接的閃電，猛烈的暴風(fēng)雨中的磁場(chǎng)耦合也能產(chǎn)生巨大的電壓。這樣的電壓很有可能會(huì)燒毀電子系統(tǒng)中的各種元器件以及導(dǎo)致電路老化。

光纖進(jìn)行傳感和傳導(dǎo)光信號(hào)的雙重角色使得光纖傳感器的結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的傳感器簡(jiǎn)單得多，特別是在需要傳感陣列的情況下，由于每個(gè)傳感陣列包含了很多傳感器，這種優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的光纖傳感器主要有以下幾方面的應(yīng)用：

1）危舊建筑物的檢測(cè)和修復(fù)監(jiān)測(cè)。大型民用設(shè)施如橋梁、隧道、公路、鐵路、大壩、海港和機(jī)場(chǎng)都融入了巨大的經(jīng)濟(jì)投入，近來(lái)這些投資已經(jīng)遇到了很多問(wèn)題，也將經(jīng)受很多根本性的變化。19世紀(jì)50～60年代興起的建筑大潮留下了大量的橋梁、公路和其他混凝土建筑，這些建筑都亟需修復(fù)或重建。作為實(shí)例，圖3給出了臺(tái)灣南部的一座大橋于2000年5月倒塌時(shí)的景象。在這場(chǎng)事故中16輛汽車(chē)和1輛摩托車(chē)遇難，22人受傷。如果之前對(duì)這座大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的話(huà)，或許能夠避免這場(chǎng)重大事故的發(fā)生。通常通過(guò)辨別建筑物的異常振動(dòng)方式和頻率，或不規(guī)則的應(yīng)變分布，監(jiān)測(cè)其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以獲知結(jié)構(gòu)健康狀況。

圖3 臺(tái)灣大橋倒塌時(shí)的圖片F(xiàn)ig．3 Photograph of Taiwan bridge collapses

為修復(fù)和加固既存的混凝土結(jié)構(gòu)不得不翻新鋼和混凝土，而采用纖維增強(qiáng)聚合物 （FRP）板材和包裹材料是一種很有前景的選擇。如圖4和圖5所示 “智能”纖維增強(qiáng)聚合物 （FRP）修復(fù)和加固部件的發(fā)展也將促使結(jié)構(gòu)加固和光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的產(chǎn)生。

在地震、爆炸或撞擊后，可應(yīng)用這些技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體性評(píng)價(jià)以及確定所受損害的程度。當(dāng)超載的卡車(chē)駛過(guò)橋梁，需要對(duì)橋梁的響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，這種技術(shù)也可找到用武之地。由于交通事故或修復(fù)橋梁公路不得不繞行時(shí)，這樣的事情經(jīng)常發(fā)生。

2）新材料的使用和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。出于對(duì)新建筑設(shè)計(jì)上的考慮，目前的經(jīng)濟(jì)思潮引發(fā)了從“建設(shè)成本”到 “壽命成本的轉(zhuǎn)變”。這種形式的變遷帶動(dòng)了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和非傳統(tǒng)材料的使用。例如：纖維增強(qiáng)聚合物 （FRP）材料的應(yīng)用已走向更富有想象力的結(jié)構(gòu)的最前沿，這些結(jié)構(gòu)具有非常優(yōu)越的性能，如需要很少的維護(hù)和低壽命成本等［44］。纖維增強(qiáng)聚合物材料在以下方面優(yōu)于鋼材：①高強(qiáng)度重量比；②高硬度重量比；③較強(qiáng)的抗腐蝕性，如鹽水；④可適應(yīng)復(fù)雜的形狀；⑤碳和芳族聚酰胺FRP具有優(yōu)良的抗疲勞特性；⑥免受電磁波干擾；⑦低熱膨脹軸向系數(shù) （特別是CERP）。

然而纖維增強(qiáng)聚合物材料也有其缺點(diǎn)：①高成本；②低彈性系數(shù)；③低破壞應(yīng)變和很多破壞模式；④高軸向側(cè)向強(qiáng)度比；⑤長(zhǎng)期強(qiáng)度低于短期強(qiáng)度；⑥易受紫外線(xiàn)損傷。

FRP中3種主要的纖維為碳、芳族聚酰胺和玻璃。纖維的支撐基體通常是一些形式的熱硬化環(huán)氧樹(shù)脂。

顯然，與傳統(tǒng)材料相比，這些新材料可在更加廣泛的范圍內(nèi)滿(mǎn)足性能要求。然而這些材料也面臨著下降趨勢(shì)，例如很難將它們?nèi)谌肽切┰谄茐陌l(fā)生時(shí)可提供訴訟保護(hù)的設(shè)計(jì)章程中。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，為反映這些材料的應(yīng)用，不久很有可能對(duì)設(shè)計(jì)章程進(jìn)行修改。將這些具有創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)與內(nèi)嵌式光纖結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)合起來(lái)，可弄清這些新材料的運(yùn)行狀況，有助于減少隱患，促進(jìn)FRP在建筑工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

顯然很多重要的因素都促使光纖結(jié)構(gòu)健康傳感在今后10a的建筑工業(yè)中成為至關(guān)重要的新技術(shù)。有跡象表明，F(xiàn)RP材料將取代混凝土內(nèi)嵌入的鋼材，這種材料在修復(fù)和加固混凝土建筑中應(yīng)用也將快速增長(zhǎng)［45－46］。

3）健康狀況監(jiān)測(cè)和無(wú)損傷評(píng)價(jià)。有時(shí)一些事故本身不會(huì)導(dǎo)致傷亡但會(huì)削弱建筑物的強(qiáng)度，從而引發(fā)更加嚴(yán)重的事故。如果在這些建筑物的適當(dāng)位置嵌入某種形式的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就很有可能避免這些嚴(yán)重事故的發(fā)生。

令人滿(mǎn)意的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該能夠區(qū)分識(shí)別危急狀況，調(diào)整掃描頻率和動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)一些應(yīng)該保存的數(shù)據(jù)和可忽略的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。同時(shí)可將那些被視為相關(guān)的信息如響應(yīng)強(qiáng)度和形變模式轉(zhuǎn)化成視覺(jué)圖形，這樣工程師們即可很快做出評(píng)定。

持續(xù)不斷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可提高建筑物的安全系數(shù)。通常的條件監(jiān)測(cè)都是通過(guò)建筑物內(nèi)的傳感器集成器件進(jìn)行的。最好的例子就是光纖智能螺栓。光纖的外徑小 （通常＜250μm）便于螺栓或其他元器件以一種不影響整體性和器件強(qiáng)度的方式埋入。這意味著埋入的器件可以作為建筑物的一個(gè)固定部分進(jìn)行測(cè)試，這是任何傳感應(yīng)變計(jì)不可比擬的。圖6給出的示例為一嵌有光纖傳感器的螺栓。

圖6 嵌有光纖應(yīng)變計(jì)的螺栓Fig．6 Fiber optic strain sensor instrumented bolt

光纖傳感器也可設(shè)計(jì)成感應(yīng)熱和力學(xué)信息的傳感器。此外，理論上光纖同時(shí)作為傳感部件和感應(yīng)信息傳導(dǎo)通道的獨(dú)一無(wú)二的特性可使其獲得長(zhǎng)度方向上任意一點(diǎn)的應(yīng)變和溫度信息。此特性使一根光纖可對(duì)主要的高危電力傳輸線(xiàn)進(jìn)行預(yù)警［47］，也可探測(cè)出由于來(lái)自地面某點(diǎn)不可承受的移動(dòng)而引起的輸油管道上的過(guò)應(yīng)力。一單根貫穿于一座建筑物或建筑物群的光纖束也可以對(duì)過(guò)熱點(diǎn)的進(jìn)展進(jìn)行報(bào)警并提供該過(guò)熱點(diǎn)的位置信息。這項(xiàng)技術(shù)可在足夠早的階段獲知著火點(diǎn)，從而減少物資損害和人員傷亡。

一般而言，很多不同的領(lǐng)域可從以下3個(gè)方面受益于集成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)：

1）改善的性能；

2）降低的成本；

3）提高的安全性。

實(shí)際上，可以預(yù)見(jiàn)4類(lèi)測(cè)量技術(shù)將成為新的監(jiān)測(cè)技術(shù)：①結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損害評(píng)價(jià)；②實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析；③周界安全的監(jiān)測(cè)與預(yù)警；④系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告和管理控制。

第一類(lèi)應(yīng)用包括對(duì)各種混凝土結(jié)構(gòu)的傾斜和彎曲進(jìn)行測(cè)量，如橫梁、柱、拱和平板。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)力分析中可對(duì)一些很難建模的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)量。通過(guò)對(duì)實(shí)際的應(yīng)力場(chǎng)及傾斜與計(jì)算模型預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較，可決定更加準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)系數(shù)，從而使建筑物更加安全和經(jīng)濟(jì)；在第二類(lèi)應(yīng)用中，由于很難對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場(chǎng)建立準(zhǔn)確的模型，因此在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析領(lǐng)域，可以利用光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)測(cè)量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場(chǎng)，然后通過(guò)比較應(yīng)變場(chǎng)和撓度的實(shí)際測(cè)量值及模型計(jì)算值確定更精確的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的安全性并降低建造成本；光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)特別適合的第三類(lèi)應(yīng)用領(lǐng)域是目前市場(chǎng)需求日益凸顯的周界安全的監(jiān)護(hù)與預(yù)警。如：國(guó)境邊界線(xiàn)的入侵防護(hù)；圍欄的懸掛式防衛(wèi)；高速公路兩側(cè)以及飛機(jī)場(chǎng)周界的防護(hù)；核電站等重要區(qū)域的周邊防護(hù)警戒；第四類(lèi)應(yīng)用包括橋梁上的交通流量或機(jī)場(chǎng)跑道使用次數(shù)的測(cè)量。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可確定由橋上的大型或高速卡車(chē)或機(jī)場(chǎng)的著陸引起的頻率和過(guò)載段的過(guò)載度。這些信息有助于評(píng)價(jià)由于這些事故引起的沖擊從而確定是否需要對(duì)建筑物進(jìn)行修復(fù)和維護(hù)。

光纖結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在以下方面很有優(yōu)勢(shì)：①評(píng)價(jià)承載歷史；②估計(jì)性能損害影響；③評(píng)估修復(fù)和維護(hù)的有效性；④檢驗(yàn)相對(duì)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)的性能；⑤報(bào)警異常狀況和行為。

4 光纖白光干涉儀發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧

白光干涉測(cè)量 （有時(shí)稱(chēng)為低相干測(cè)量方法）在經(jīng)典光學(xué)中已有詳盡闡述［48］。它使用低相干、寬譜光源，例如半導(dǎo)體激光器 （LD）或發(fā)光二極管（LED）作為光源。所以這種傳感方法通常被稱(chēng)為“白光”干涉測(cè)量方法。同所有的干涉原理一樣，光程的改變可以通過(guò)觀測(cè)干涉條紋來(lái)進(jìn)行分析。

盡管早在1975年就提出了相干原理［50］，并于1976年在光纖通信領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了可能的傳輸方案［51］，但其在光纖傳感技術(shù)中的應(yīng)用卻首次報(bào)道于1983年［49］。第一個(gè)完整的基于白光干涉技術(shù)的位移傳感系統(tǒng)是在1984年報(bào)道的［52］。此成果顯示出白光干涉測(cè)量技術(shù)可以應(yīng)用于任何可以轉(zhuǎn)換成絕對(duì)位移的物理量的測(cè)量，并且具有很高的測(cè)量精度。1985～1989年，基于白光干涉原理的傳感器被廣泛應(yīng)用于壓力［53－55］、溫度［56－59］和應(yīng)變［60－61］測(cè)量的研究中。與此同時(shí)，根據(jù)白光干涉光學(xué)原理，發(fā)展了一種被稱(chēng)為光學(xué)低相干反射測(cè)量 （OLCROptical low－coherence reflectometry）的技術(shù)，該技術(shù)用于測(cè)量光學(xué)波導(dǎo)裝置尺寸和小型光學(xué)元件中的缺陷評(píng)估中，其典型的分辨率在數(shù)十個(gè)微米［62－64］。OLCR技術(shù)的快速、精確及無(wú)損傷測(cè)量等一系列優(yōu)勢(shì)，使得該技術(shù)成為一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域。通過(guò)一系列研究和技術(shù)改進(jìn)，例如發(fā)展了光強(qiáng)度噪聲衰減技術(shù)［65］，掃描范圍擴(kuò)展延遲技術(shù)［66］和測(cè)量范圍擴(kuò)展技術(shù)［67］。

利用低相干技術(shù)的光纖傳感器，其最基本的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。相對(duì)于傳感干涉儀，串接的第二個(gè)問(wèn)訊干涉儀對(duì)于獲得干涉條紋的信息來(lái)說(shuō)是必需的。這個(gè)串接的結(jié)構(gòu)將取決于處理干涉信號(hào)的方法，選用分光計(jì)還是第二干涉儀的結(jié)構(gòu)，要取決于頻譜分析還是相位分析。

圖7 基于白光干涉式光纖傳感器的基本構(gòu)成Fig．7 Basic optical fiber sensor configuration using white light interferometry

自1990年以來(lái)，光纖白光測(cè)量技術(shù)已持續(xù)發(fā)展，并逐漸形成了一個(gè)研究方向，眾多研究者指明了這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。白光干涉測(cè)量技術(shù)為絕對(duì)測(cè)量提供了更多的解決方案，而這些都是采用高性能相干光源的傳統(tǒng)光纖干涉儀所無(wú)法解決的。近10余年來(lái)，在信號(hào)處理、傳感器設(shè)計(jì)、傳感器研制、傳感器多路復(fù)用等方面，白光干涉測(cè)量技術(shù)得到了較大發(fā)展。在信號(hào)處理方面，一些新方案的提出，提高了光纖白光干涉儀的性能。發(fā)展了高速機(jī)械掃描法技術(shù)，掃描速度從21m／s逐步提高到了176m／s［68－70］。電子掃描技術(shù)相對(duì)于機(jī)械掃描方法的優(yōu)點(diǎn)是更緊湊、精密與快捷，并且避免了使用任何移動(dòng)裝置［71－75］。光源合成方法是對(duì)光纖傳感器信號(hào)處理的一大改進(jìn)，顯著提高了識(shí)別并確定干涉?zhèn)鬟f函數(shù)中心條紋位置的能力［76－77］。在此之后，其他研究人員的工作，又進(jìn)一步發(fā)展了這項(xiàng)技術(shù)［78－79］。另一種改進(jìn)對(duì)中心條紋識(shí)別精度的方法是使用多階平方（multi－stage－squaring）信號(hào)處理方案［80］。

光纖白光干涉儀的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以很容易地實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。多個(gè)傳感器在各自的相干長(zhǎng)度內(nèi)，只存在單一的光干涉信號(hào)，因而勿需更復(fù)雜的時(shí)間或者頻率復(fù)用技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。20世紀(jì)最后10a的研究工作，主要集中在發(fā)展多路復(fù)用傳感器結(jié)構(gòu)，以增加應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鞲衅鲾?shù)量與容量的需求。這些典型的白光干涉多路復(fù)用方案使用了分立的參考干涉儀，并進(jìn)行時(shí)間延時(shí)，以匹配遙測(cè)傳感干涉儀。傳感干涉儀是完全無(wú)源的，而且用于解調(diào)的復(fù)用干涉信號(hào)對(duì)光纖連接導(dǎo)線(xiàn)中的任何相位或長(zhǎng)度改變不敏感。在分布式傳感器［81］概念的基礎(chǔ)上，為了構(gòu)成準(zhǔn)分布式光纖白光干涉測(cè)量系統(tǒng)，研究者進(jìn)行了許多探索和嘗試。Gusmeroli等人發(fā)展了低相干多路復(fù)用準(zhǔn)分布單線(xiàn)路偏振傳感系統(tǒng)，用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)［82］；Lecot所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中包含＞100個(gè)多路復(fù)用的溫度傳感器，用于核電站交流發(fā)電機(jī)定子發(fā)熱量的監(jiān)測(cè)［83］；饒?jiān)平蚃ackson所建立的通用系統(tǒng)是基于空間多路復(fù)用，最大可以連接32個(gè)傳感器［84］；Sorin和Baney提出了一種新型的基于Michelson干涉儀和自相關(guān)器的干涉多路復(fù)用傳感陣列方案［85］；由Inaudi等人建立了一種并行多路復(fù)用方案［86］；此外，基于簡(jiǎn)單的光纖Michelson干涉儀，分別使用光纖開(kāi)關(guān)和1×N星型耦合器的串行和并行多路復(fù)用技術(shù)分別報(bào)道于文獻(xiàn) ［87－88］。近來(lái)，文獻(xiàn) ［89］又提出了一種光纖環(huán)型諧振腔方案。使用環(huán)型諧振腔的目的是取代文獻(xiàn) ［87］中價(jià)格昂貴的光纖開(kāi)關(guān)，它的優(yōu)點(diǎn)是大大降低了多路復(fù)用傳感陣列的復(fù)雜性和成本。

隨著光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)日趨完善，同時(shí)也發(fā)展了越來(lái)越多的應(yīng)用。Inaudi等人發(fā)展了低相干大尺度光纖結(jié)構(gòu)傳感器，在瑞士工業(yè)建筑業(yè)中被廣泛使用［90］，獲得了幾個(gè)微應(yīng)變的分辨率，其測(cè)量范圍超過(guò)幾千個(gè)微應(yīng)變。通過(guò)采用與通道截取光譜法相似的信號(hào)處理方法，絕對(duì)外部應(yīng)力傳感系統(tǒng)展示了＜100με的軸向應(yīng)變分辨率［91］。文獻(xiàn) ［92－94］報(bào)道了基于白光干涉技術(shù)的光纖引伸計(jì)用于監(jiān)測(cè)混凝土試樣內(nèi)部的溫度和測(cè)量一維、二維應(yīng)變?？梢灶A(yù)期，這種基于白光干涉技術(shù)的絕對(duì)應(yīng)變傳感器將在智能結(jié)構(gòu)和材料中起到越來(lái)越重要的作用［95］。

與國(guó)外開(kāi)展的光纖白光干涉技術(shù)研究相比，國(guó)內(nèi)開(kāi)始于稍晚的1992年［96］。早期研究集中在光纖白光干涉儀構(gòu)建和白光干涉原理在器件測(cè)量的應(yīng)用方面，如：上海大學(xué)的張靖華等人分別開(kāi)展了利用白光干涉原理實(shí)現(xiàn)保偏光纖測(cè)量與連接對(duì)軸，以及光源功率譜對(duì)白光干涉測(cè)量的影響的研究［97］；華中科技大學(xué)王奇等人［98］于1993年報(bào)道了一種用多模光纖連接的雙F－P干涉儀傳感系統(tǒng)，可用于溫度和壓力的測(cè)量；清華大學(xué)李雪松與中國(guó)計(jì)量科學(xué)院李天初等人［99］于1996年合作報(bào)道了一種白光干涉型Michelson光纖掃描干涉儀，可在150μm的測(cè)量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量不確定度為1．5μm；浙江大學(xué)周柯江等人［100－101］于1997年報(bào)道了利用白光干涉技術(shù)用于偏振模式分布的測(cè)量；上海交通大學(xué)張美敦等人報(bào)道了光纖干涉儀的臂長(zhǎng)差和基于白光光纖干涉儀的折射率測(cè)量方法［102］。

近年來(lái)，在傳感與測(cè)量研究方面，國(guó)內(nèi)的研究人員廣泛地關(guān)注將白光干涉原理與光纖技術(shù)相結(jié)合的研究，發(fā)展了多種新型結(jié)構(gòu)的光纖白光干涉儀、白光干涉信號(hào)解調(diào)方法、白光光纖傳感器以及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各種物理量諸如位移［104］、溫度與應(yīng)變［105］、壓力［106］、折射率等的測(cè)量傳感器及其應(yīng)用的研究。上述研究主要集中在高等院校中，例如：天津大學(xué)的張以謨等人開(kāi)展了數(shù)字化白光干涉掃描儀［107］及其信號(hào)處理［108］和包絡(luò)提?。?09］、保偏光纖分布式傳感［110－111］、基于白光干涉原理的光學(xué)相干層析技術(shù)［112－113］等諸多方面的研究；重慶大學(xué)饒?jiān)平?14－115］和大連理工大學(xué)于清旭［116－117］等 人 分別發(fā)展了基于非本征Fabry－Perot腔的光纖白光傳感器及其智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用；北京理工大學(xué)江毅等人發(fā)展的傅立葉變換波長(zhǎng)掃描的白光光纖Fabry－Perot傳感器及其信號(hào)解調(diào)方法［118－120］；電子科技大學(xué)周曉軍［121－122］等人發(fā)展的基于白光干涉原理和保偏光纖的分布式傳感器。哈爾濱工程大學(xué)則專(zhuān)注于光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的研究，發(fā)展了光纖白光干涉的理論分析方法，構(gòu)造了多種新型結(jié)構(gòu)的白光光纖干涉儀［123］，拓展了準(zhǔn)分布線(xiàn)陣、矩陣和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［124－125］，并發(fā)展了一系列對(duì)于混凝土內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量的方法［126－127］。

5 用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的白光干涉式光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)

光纖智能結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)中集成了光纖傳感器的遙測(cè)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是通過(guò)光纖傳感器實(shí)現(xiàn) “應(yīng)變”監(jiān)測(cè)的。在需要時(shí)，也可以進(jìn)行 “溫度”的測(cè)量。光纖傳感器通常與結(jié)構(gòu)兼容，嵌于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，以便進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有時(shí)也將傳感器粘附于結(jié)構(gòu)表面。

當(dāng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的結(jié)構(gòu)部件受到拉伸或者壓縮應(yīng)力作用時(shí)，它的形狀在載荷的方向上延展或收縮一個(gè)長(zhǎng)度±ΔL，這里 （＋）表示伸長(zhǎng)、（－）表示縮短。我們定義這個(gè)構(gòu)件的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

因此，這個(gè)部件中的應(yīng)變狀態(tài)是拉伸還是壓縮，完全取決于局域載荷狀態(tài)。幾乎所有的應(yīng)變傳感器實(shí)際上都是一個(gè)標(biāo)度較短的形變傳感器。對(duì)于各向異性的非均勻材料，例如混凝土，纖維增強(qiáng)聚合物 （FRP）等，若基于各向異向性進(jìn)行測(cè)量，微觀應(yīng)變場(chǎng)將發(fā)生很大變化。對(duì)于這些材料，傳感器的標(biāo)度至少應(yīng)為材料顆粒的10倍以上。如果需要得到宏觀信息，在混凝土中的標(biāo)度至少應(yīng)為100 mm。標(biāo)度短的應(yīng)變傳感器適合于用于檢測(cè)材料局域應(yīng)變狀態(tài)，并且應(yīng)該放置在結(jié)構(gòu)預(yù)期的高應(yīng)變臨界點(diǎn)處。而對(duì)于大型結(jié)構(gòu)，例如懸拉橋，需要空間的穩(wěn)定性，形變測(cè)量非常重要，并且要求傳感器的標(biāo)度應(yīng)該在米的量級(jí)或更大。這里，結(jié)構(gòu)失效臨界點(diǎn)與局域狀態(tài)相比要重要的多，所以局域應(yīng)變測(cè)量就顯得不十分重要。例如大地的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的橋梁中部發(fā)生的塌陷，對(duì)于立交橋而言，當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，將降低駕駛員與乘客的舒適程度。這個(gè)形變可以通過(guò)降低橋梁應(yīng)變來(lái)改進(jìn)結(jié)構(gòu)安全性［86］。

在上述情況下，由于白光干涉光纖應(yīng)變感應(yīng)器具有傳感器長(zhǎng)度靈活可變、柔韌性好和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，對(duì)于形變測(cè)量特別適合。圖8給出了一種典型的白光光纖應(yīng)變傳感器，它由一段標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖組成。L作為傳感器的標(biāo)度，應(yīng)變測(cè)量是通過(guò)直接測(cè)量這段光纖的伸長(zhǎng)量ΔL實(shí)現(xiàn)的。

白光光纖傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)如下：①尺度小；②幾何形狀可變；③安全；④高靈敏度；⑤抗電磁場(chǎng)干擾；⑥與材料和結(jié)構(gòu)兼容；⑦制作安裝方便；⑧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉；⑨易于多路復(fù)用；⑩傳感器長(zhǎng)度可變，最短為厘米級(jí)，最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十米。

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