1 引言

光纖傳感技術是繼電測技術之后傳感技術發展的新階段。相對于機電類傳感器，光纖傳感器具有很多優勢，如：體積小、重量輕、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、靈活方便等。以光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)為主的光纖光柵傳感器，除了具有普通光纖傳感器的優勢之外，還有一些特別的優勢，最主要的是傳感信號為波長調制以及復用能力強。其好處在于：測量信號不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測器老化等因素的影響;避免了干涉型光纖傳感器相位測量模糊不清等問題;在一根光纖上串接多個布拉格光柵，把光纖嵌入(或粘于)被測結構，可同時得到幾個測量目標的信息，并可實現準分布式測量。廣泛應用于對工程結構的應力、應變、溫度等參數以及對結構變形、裂縫、整體性等結構參數的實時在線監測[1,2]。

應變是材料與結構的重要物理特征參量。結構監測的前提是從結構中提取能反映結構特征的參數，最能反映局部結構特征、便于結構安全評價與損傷定位的是應變信號，所以說應變是重要工程結構健康監測最為重要的參數之一。通過國內外同行的大量研究和實踐，已將應變測量鎖定在光纖光柵傳感技術上[3,4]。

本文的主要工作是給出了光纖光柵應變傳感監測系統的基本構成和實施方案，并對工程應用中的關鍵問題進行了論述，提出了解決方案，并將其成功地應用于重大工程結構的長期監測中。

2 光纖光柵應變傳感監測系統的設計

圖1 光纖光柵分布傳感監測系統的基本構成

圖1是光纖光柵應變傳感監測系統的基本構成圖。系統中寬帶光源輸出光輸入到環行器端口1，由端口2輸出到1×8光開關，光開關的每一路由幾個不同中心波長的光柵串接構成傳感陣列。通過不同光纖光柵的反射光波長 …… ，與被測對象上各測量點相對應，分別感受各分布測點的應力應變，使其反射光的波長發生改變，改變的反射光經傳輸光纖從測量現場傳出，輸入到環行器端口2，再由端口3輸出。通過光纖光柵解調系統探測其波長改變量的大小，并由光電探測器轉換成電信號后輸出，最后由計算機系統對被測對象的狀態進行分析和評估。

根據圖1的光纖光柵分布應變監測系統的基本構成，把整個系統的實施方案分為以下幾個步驟：

1)確定結構的應變分布：依據具體結構和工程應用情況，確定測量點位置和測量分布方式，粗略估計各測點應變范圍，推算出整個結構的應變分布概況。

2)確定各測點處光纖光柵的中心波長：根據估計的各測點應變分布狀態，特別是各測點應變的最大值，將各測點的位置與對應處的光纖光柵的波長相對應。在采用分布傳感方式時，保證各測點的各點的波長分布具有一定的間隔，間隔的大小取決于各測點應變的最大值和應變屬性(拉應變還是壓應變)，避免串在一起的光柵在工作過程中波長發生重疊。

3)確定傳感器的結構和安裝方式：根據監測的要求和工程實際情況，選擇傳感器的結構形式(貼片式、埋入式等)和安裝方式(粘貼還是焊接等)，確定埋設和保護工藝。

4)確定光纖光柵解調系統：依據對應測點最大應變變化值的光纖光柵波長的變化值 …… ，和各點的波長分布間隔大小( )，計算出所有測點的波長變化值和間隔值的總和，然后乘以相應的波長余額系數1.2～1.8，確定所需光纖光柵解調器的波長解調范圍，并結合所需的測量精度，選定相應的光纖光柵解調器和配套解調和數據分析軟件。

5)確定光纖光柵傳感器靈敏度系數K：依據所選定的光纖光柵傳感器的結構形式和安裝方式，選定靈敏度系數K值，并在解調軟件中進行設置，測量結果直接顯示應變值。

6)結構整體狀態的分析和評估：依據結構上各測點的實測應變值，進行特定的程序運算，確定結構整體的應變分布狀態，并對極限狀態進行報警。