光纤光栅传感器应变传递影响参数研究
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
1.2 光纤布拉格光栅原理 光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件
式中，λB为Bragg波长，n为有效折射率，A为光栅周 期。 当作用于 光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发 生变化时，会引起n和A的相应改变，从而导致λB的漂移; 反过来，通过检测λB的漂移。也可得知被测物理量的信息。 Bragg光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力的准 分布式测量上。温度和应力的变化所引起的λB漂移可表示 为：
2.2 双参量矩阵法 双参量矩阵法是运用各种方法将温度 和应力对同一光波的影响分别作用于该光 波的不同参量上，然后推导出对应关系， 以实现应力和温度的区分测量。近年来， 有许多方法基于这一思想的交叉敏感问题 解决方案。如混合FBG/长周期光栅法、二 次谐波法、超结构光栅法等。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
在图1所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光 源且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。 一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光 纤的光功率至少为50～100 µW。而当被测温度或压力加 在光纤光栅上时。由光纤光栅反射回的光信号可通过3 dB 光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过 光探测器进行光电转换，最后由计算机进行分析、储存， 并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。 光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外.还具有 在一根光纤内集成多个传感器复用的特点，并可实现多点 测量功能。
光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感问题
2.4 温度(应力)补偿法 其实，目前研究较多的还是温度补偿 法。该方法主要通过某种方法或装置先将 温度扰动引起的波长漂移剔除掉，从而使 应变测量不受温度的影响。近年来，国内 外许多学者提出了关于FBG交叉敏感的问 题，主要考虑实现对温度、应变同时测量 的温度补偿方法。它们分为单FBG法和双 FBG法两大类。
中科院半导体所科技成果——光纤光栅应变传感器
中科院半导体所科技成果——光纤光栅应变传感器项目成熟阶段成熟期项目来源企业委托
成果简介光纤光栅应变传感器利用光纤进行传感和传输，本质无源、体积小、重量轻、无电磁干扰问题。
一根光纤可串联多支传感器，配合高精度解调系统，可进行数百只传感器的大规模组网应用。
传感器可设计成不同封装形式，如表面粘接式、焊接式、埋入式、螺栓安装式等。
广泛应用于石油石化、电力、消防、土木工程、水利工程、现代交通等领域。
技术特点体积小、重量轻、无电磁干扰、传输距离长（可达数千米）、可大规模组网。
专利情况该技术已为成熟技术，不存在专利壁垒问题。
市场分析土木工程监测领域需求强烈，年市场容量在一亿人民币以上。
半导体所的光纤应变传感器已经成功用于杭州湾跨海大桥、西气东输工程的管道、太原卫星发射中心的健康监测中，取得了良好的效果。
合作方式技术服务、技术入股
产业化所需条件企业提供厂房、基础建设、600万启动资金和设备资金，5人左右的技术团队和10人左右的生产团队。
光纤光栅应变
光纤光栅应变
光纤光栅应变是光子学中一种非常重要的应用领域。
在实践中，光纤光栅常常被用于测量各种应变，如温度、压力、位移等。
其基本原理是通过监测光纤光栅的中心波长的偏移量，可以计算出其所受到的应变。
光纤光栅应变传感器具有许多优点，例如高灵敏度、高精度、抗电磁干扰、耐腐蚀等。
由于这些优点，光纤光栅应变传感器在许多领域中都得到了广泛的应用，如土木工程、航空航天、石油化工、交通运输等。
然而，光纤光栅应变传感器也存在一些挑战和限制。
例如，光纤光栅的响应时间和恢复时间较长，容易受到温度和湿度的影响，以及容易受到机械应力的影响。
因此，为了提高光纤光栅应变传感器的性能和可靠性，需要进一步研究和改进其材料和制造工艺。
总之，光纤光栅应变传感器是一种非常重要的应用领域，具有广泛的应用前景和重要的研究价值。
未来，随着光子学技术的不断发展，光纤光栅应变传感器将会得到更广泛的应用和更深入的研究。
1。
基于传输矩阵法的光纤光栅传感器的应变测量能力研究
Ｓ ｕｄ ｎ Ｄｙ ａ ｉ ｔ ａｎ Ｍ ｅ ｓ ｅ ｅ ｉｉｙ ０ ｂｅ ａ ｇ ｔ ｙ ０ ｎ ｍ ｃＳ ｒ ｉ ａ ｕｒ ｍ ｎｔＡｂ ｌｔ ｆＦｉ ｒ Ｂｒ ｇ
Ｇ ｒ ｔｉ ｓ ｄ ０ Ｔｒ ｎ ｍ ｉ ｓ０ ａ ｒ ｘ Ｍ ｅ ｈ ｄ ａ ｔｎｇ Ｂａ ｅ ｎ ａ ｓ ｓ ｉ ｎ Ｍ ｔ ｉ ｔＯ
ｃ Ｅ ｉ ， ｕ Ｙ ｎ—ｈｎ Ｙ ｈ ｎ＿ａ ， Ａ ＧＪ ｘａｇ Ｈ Ｎ ｘａ ｎ ｘ ｏ ｇｃｅｇ ， ｕ ｓ ａｇｊ ｎ Ｙ Ｎ ｉ ｉ ｉ — ｎ （ ． ｅｈ ｎ ｔｉ ｌ ｒｊｃ Ａ ａ ｅ ， ａｉ ａ Ｕ ｉｅｓｔ ０ ｅｅ ｓ ｅｈ ００ ， ｈ ｎ ｓａ４０ ７ ， ｈｎ ； １Ｍ ｃｏ ０ｒ ａ Ｐ ｏｅｔ ｃｄ ｍｙ Ｎ ｔ ｎ ｌ ｎＶ ｒ－ ｆ ｆｎｅＴ ｃｎ ｌ ｃ ０ ｙ Ｄ Ｃ ａ 詈ｈ １ ０３ Ｃ ｉａ ２ Ｔ ｅＴ ｉ ｃｄ 珈ｙｏ ｎ ｉｅｒＧｅｅａ ＳａｆＬ ０ ａ ｇ４ １２ ， ｈｎ ） ． ｈ ｈｒ Ａ ａ ｅ 【 ｆ ｇ ｅ ｎ ｒｌ ｔｆ， ｕ ｙ ｎ ７ ０ ３ Ｃ ｉａ ｄ Ｅ ｎ
摘要 ： 光纤光栅在 不均匀应变场 中会 由于其反射谱 的展 宽而带 来测 量误差。在光 纤光栅 参数取典 型值 时， 用传 输 使
矩 阵法计算 了峰值为３０ ｏ ￡的正 弦应 变波 下波 长为 ０Ｏ ４～ ． ０ ． ２ ０ １ｍ的 测量误 差 。计 算结果 表 明： 当正 弦波 波长大 于 ０ ０７８ｍ， ．３ 由谱峰 展宽带来的相对测量误 差可低 于 １ ％。计算 了固定应 变波 长为 ００ ４ｍ时正弦应变波峰 值在 ０～ ０ ． ２ ５００ ￡变化的测量误 差。当正弦应变峰值低 于２３０ ￡时 ， ４ 由谱峰展 宽带来的相对测量误 差可低 于 １ 。并 由此算得 了混凝 ％ 土等几种典 型材料 在误 差小 于 １ 时的 可测 最 高频 率 ， ％ 混凝 土为 ７ ． ４ １～ｌ８５ｋ ｚ 水泥 砂浆 为 ７ ． ０ ． Ｈ ； ９ ４～９ ． Ｈ ； 为 ２６ ｋ ｚ 钢
光纤光栅应变、温度交叉敏感问题研究现状分析
变化时 ，光纤的热光效应 和热膨胀作用也会弓起反射波长的变化。反射波长变化与应变和温度的 ｝
关 系为 ：
△ ／ ＝（一 ） ｔ １ ｓ＋（ ＋ ） ， ＡＴ 式 中 ，Ｐ 、 ， ｅ 和 分 别为 光纤 的弹光 系 数 、热 膨胀系 数和 热光 系数 。
（ ２些 兰 兰
精 确获得所需 参量 ，正确评 价被 测物体状态 的保 证 。
！ 塑 笙
动是 由温度变 化引起 的 ，还是 由应 变变化 引起 的 ，对 于确切 了解被测体 的状态是至关 重要 的 。也是
３ 光栅交叉敏感问题现有解决方案分析
针对光纤 光栅 的交叉 敏感 问题 ，人们 已提 出了众 多 的解 决方案 ，分析各方 案的原理 、本质 ，可
有的很多方案仅从独立的光栅传感器角度进行分析，而未考虑实际工程应用中的具体情况 ，脱离了
与实际被测结构体 的联系。因此虽然方法众多， 但其能否解决应力、应变测量中的温度补偿问题， 还要与结构相结合 ，分析解决方案 中传感器的实际受力状态。
图 １ 各 种光 栅 应变 、温 度交 叉 敏 感 问题 解 决 方案 归 类
。 — — — — — —
三兰
Ｌ Ｊ
图 ２ 管式 温 度 补 偿 封 装 结 构 示 意 图
图 ３ 两 端 螺 杆 调 节 温度 补偿 结构 示意 图
文献【】 ５也是利用了光纤光栅在温度升高时受两端材料热膨胀作用产生压缩变形的原理 （ 如图 ４
第１卷 第２ ０ 期
２ １ 年 ６月 ０１
石 家庄铁路 职业技 术学院学报
Ｊ ＲＮ ＯＵ ＡＬＯ Ｈ 儿Ａ ＨＵ Ｎ Ｉ ＴＴ ＥＯ Ａ Ｌ ＹＴ Ｃ ＮＯ Ｏ ＦＳ Ｉ Ｚ Ａ Ｇ ＮＳ ＩｕＴ ＦＲ Ｉ ＷＡ Ｅ Ｈ Ｌ ＧＹ
光纤光栅传感器在结构应变检测中的应用研究
十年， 甚至 上百 年。在其 服役期 内 ， 由于环境 作用 、 疲
劳 效 应 等 不 利 因 素 的 影 响 ，结 构 不 可 避 免 地 产 生 损
伤 积累 、 力减 小。 构健康 监测 系统应能 在结 构损 抗 结 伤 出现 的较早 时期发现 ， 在传 感器 允 许 的情 况 下， 结 合损伤识 别技术确 定损 伤 的位 置，评估 损伤 程度 ， 预 测 剩余 的有效寿命 。 这对于 提高 工程结 构 的运 营效 率 以及保 障人 民生命和 财产 安全 具有极 其 重大 的意
ｔ ｅ ｓｒ ｃｕ ａ ｅ ｌ ｎ ｔ ｒ ｇ ｈ ｔ ｔ ｒ ｌ ａｔ ｍｏ ｉ ｉ ． ｕ ｈ ｈ ｏｎ
Ｋ ｅ ｗபைடு நூலகம்ｏ ｄ ｂ ｒＢｒ ｇ ｒ ｔ ｙ ｒ ｓ ｆ ｅ ａ ｇ ｇ ａｉ ：ｔａｎ； ＲＰ ｏｌ ｉ ｎｇ ｓ ｉ Ｆ ｒ ｃ ｕｍｎ
大 型 土 木 工 程 结 构 和 基 础 设 施 的 使 用 期 长 达 几
传 送 均 为 光 信 号 ， 因 而 监 测 现 场 没 有 电子 设 备 ， 不
长 期 以 来 ， 大 型 土 木 工 程 结 构 和 基 础 设 施 的结
构 安全检测 一直 以 电检 测 方法 为 主。 由于 电磁 干扰 及潮 湿侵蚀 ， 这种 方法 不能 实现 传感器 长 期置 放 ， 只 能在检 测 时临时使 用。 随着光纤 光栅 传感 器应 用技 术 的不断成 熟 ， 些问题 将得到 解决。 这
Ｓｒ ｃ ｒ ｌＳｒ ｉ ｔｃｉ ｎ ｂ ｂｅ ａ ｇ Ｇｒ ｔ ｎ ｏ ｓ ｔｕ ｔ ａ ｔａｎ Ｄｅｅ ｔｏ ｙ Ｆｉ ｒＢｒ ｇ ａｉ Ｓｅ ｓ ｒ ｕ ｎｇ
Ｌ ｉ — ｏ Ｗ Ｎ ｉ ｄ ＩＰｎ Ｉ ａ ｂｉ Ａ Ｇ Ｑａ Ｌ ｅ Ｘ ｏ ｎ
表面粘贴光纤光栅传感器的应变传递分析
（ ｈｎ ｅｅｇＩｓｔ ｅｏ ｔ ｌ ｙ＆ Ｍ ａｕｅ ｅｔ ｅ ｉ ０ ０ ５ Ｃ ｉ ） Ｃ ａ ｇｈ ｎ ｔｕ ｆ ｒ ｏ ｎ ｉｔ Ｍｅ ｏ ｇ ｅｓｒｍ ｎ，Ｂ ｉｎ １０ ９ ， ｈｎ ｊｇ ａ
Ｏ 引 言
１７ ９ ８年 ，加拿 大 通 信研 究 中 心 的 Ｈｉ 等 人 首 次 ｌ ｌ 利 用 驻波 法在 掺锗 光纤 中研 制 出世界 上第 一个 永久 性 可实 现反 向模 式 间耦合 的光 纤光 栅 ，即光 纤 Ｇａｉ ，Ｆ Ｇ） Ｂ ｎ ９ ３年 ，他 们 又 用 紫外 光垂 直 照射相 位 掩模 形成 的衍 射条 纹 曝光氢 载 光 纤 写入 光纤 布拉格 光 栅 的相位 掩模 法 ，使光 纤光 栅
国 内在 这个 方 面的研 究才 刚起 步 ，在 飞行 器方 面 的应
光纤 光栅 传感 器相 比传 统 电类传 感器 具有 无可 比 拟 的优势 ，具 有更 宽广 的应 用领 域 。光纤 光栅 传感 是 利 用 光波传 输 信息 ，不 会受 到 电磁 干扰 的影 响 ，安 全 可 靠 。光纤 光 栅结 构简 单灵 巧 ，为特 殊场 合 的测量 提 供 了方 便 ，尤 其 适 合 埋 入 复 合 材 料 内部 形 成 智 能 材 料 。光纤传 感 将传感 与 传输 融合 为一 体 ，并且 可 以在
模 型 ，推 导 了裸 光 纤 光 栅 传 感 器 测 得 的 应 变 与 结 构 基 体 实 际 应 变 的 比值 ， 即 应 变 传 递 率 ， 并 对 影 响 传 递 率 的 各 种 参 数 进 行 分 析 和 模 拟 ， 根 据 实 际 条 件 得 到 了粘 贴 的 最 佳 参 数 。 关 键 词 ：光 纤 光 栅 传 感 ；表 面 粘 贴 ；应 变 传 递 ； 应 变 测 量
光纤光栅应变传感器测量应变误差分析
孙佃亮 等
之间的关系。通过理论分析，得到了横向效应所引起的测量误差，针对复杂平面应变问题，修正了测量 应变的计算公式，分析了安装角度、安装角度偏差等因素对测量精度的影响，得出：测量误差与安装角 度成近似正弦变化，随着主应变比增大，应变测量误差逐渐减小。该理论为光纤光栅在实际中的应用提 供了理论指导。
收稿日期：2019年2月25日；录用日期：2019年3月13日；发布日期：2019年3月21日
摘
*
要
光纤光栅应变传感器测量应变与实际应变并不相同，为了提高测量精度，需要研究测量应变与实际应变
通讯作者。
文章引用: 孙佃亮, 吴入军, 张晓峰, 陈田, 马雪芬. 光纤光栅应变传感器测量应变误差分析[J]. 仪器与设备, 2019, 7(1): 58-65. DOI: 10.12677/iae.2019.71009
(1)
由公式(1)可知：轴向应变与波长相对变化量成正比关系。然而，光纤光栅在实际测量时，不仅受到 如图 1 所示， 在 x 方向存在单向应变 ε x 的应变场中， 对于光纤 F2， 其承受横向作用， 设 ∆λ λ = K Bε x ， 其中 K B 为光栅的横向灵敏系数，对于光纤光栅 F1，存在： ∆λL = λ K L ε x ，其中 KL 为光栅的轴向灵敏系 数。假设 H 为横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比，则存在公式(2)：
Open Access
1. 引言
光纤光栅应变传感器是随着通信技术的发展而发展起来的， 由于光纤光栅应变传感器同传统的机械、 电子类传感器相比，具有体积小、质量轻、抗电磁干扰等诸多优点，其在航空航天、医疗器械、土木工 程等诸多领域都得到了广泛的应用[1] [2]。 在光纤光栅应变传感器的实际应变测量时，主要利用了光纤光栅的轴向应变的灵敏性，没有考虑 光纤光栅横向效应对光纤光栅反射波长的影响，即认为光纤光栅受到的横向应变对反射波长无影响。 通过资料调研[3] [4，因此，如果 不考虑横向效应的影响，将会对光纤光栅测量结构造成一定的误差[5] [6]。苏晨辉[7]等人对表面粘贴 式光纤光栅传感器的应变传递机理进行了研究，张俊康[8]、梅钰洁[9]研究了光纤光栅传感器在螺旋管 和蒙皮中的测试技术，孙媛凯 [10]等人对光纤光栅传感器进行了实验标定，实验证明具有良好的线性 度和精度。 本文首次综合考虑了光纤光栅应变传感器横向效应、安装角度、安装角度偏差等因素对测量应变的 影响，并得到了安装角度和安装角度偏差对测量应变的关系表达式，对光纤光栅应变传感器的实际应用 具有很好的指导意义。
光纤光栅传感实验报告
一、实验目的本次实验旨在了解光纤光栅传感技术的基本原理、工作过程以及其在实际应用中的重要性。
通过实验，掌握光纤光栅传感器的制作方法、传感特性以及传感信号的处理技术，为后续研究光纤光栅传感器在相关领域的应用打下基础。
二、实验原理光纤光栅传感器是一种基于光纤布拉格光栅（FBG）原理的新型传感器。
当外界物理量（如温度、应变、压力等）作用于光纤光栅时，光栅的布拉格波长会发生相应的变化，从而实现物理量的测量。
三、实验仪器与材料1. 光纤光栅传感器实验装置2. 光纤光谱分析仪3. 恒温水浴箱4. 拉伸机5. 氧化铝薄膜四、实验步骤1. 光纤光栅传感器的制作（1）将一根单模光纤切割成一定长度，并利用氧化铝薄膜对光纤进行腐蚀，形成光纤光栅。
（2）将制作好的光纤光栅固定在实验装置上，并进行封装。
2. 温度传感实验（1）将光纤光栅传感器放入恒温水浴箱中，分别设置不同的温度，记录光纤光谱分析仪输出的布拉格波长。
（2）分析温度与布拉格波长之间的关系，绘制温度-波长曲线。
3. 应变传感实验（1）将光纤光栅传感器连接到拉伸机上，施加不同大小的应变，记录光纤光谱分析仪输出的布拉格波长。
（2）分析应变与布拉格波长之间的关系，绘制应变-波长曲线。
五、实验结果与分析1. 温度传感实验实验结果显示，随着温度的升高，光纤光栅传感器的布拉格波长发生蓝移，且蓝移量与温度呈线性关系。
通过拟合曲线，得到温度-波长关系式：$$\Delta\lambda = aT + b$$其中，$\Delta\lambda$为布拉格波长变化量，$T$为温度，$a$和$b$为拟合参数。
2. 应变传感实验实验结果显示，随着应变的增大，光纤光栅传感器的布拉格波长发生红移，且红移量与应变呈线性关系。
通过拟合曲线，得到应变-波长关系式：$$\Delta\lambda = c\epsilon + d$$其中，$\Delta\lambda$为布拉格波长变化量，$\epsilon$为应变，$c$和$d$为拟合参数。
光纤光栅的应变和温度传感特性研究
光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一 光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二 光纤光栅传感器增敏与封装 (3)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (4)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (5)5 粘敷式敏化与封装 (7)三 光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG 与LPFG 混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一 光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。
当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。
由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。
FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。
当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。
光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。
假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Abstract: Optic fiber Bragg grating sensor requires a strain transfer coefficient when it is embedded in or adhered to the structure due to an interlayer between structure and sensor. The important factors that affect the strain transferring are deduced on the basis of existent theory in this paper, which include the length of the sensor, the thickness, Young’s modulus and Poisson’s ratio of the interlayer. The relationship between the average strain transfer rate and the parameters is discussed. The results show that the average strain transfer rate increases with sensor length, decreases with the thickening of the interlayer, rises with the increase of the interlayer Young’s modulus. The influence of the interlayer Poisson ratio on the average strain transfer rate is very small and it can be neglected when choosing the interlayer parameters. Key words: solid mechanics; fiber bragg grating sensor; parameter analysis; strain transfer; interlayer
表 1 光纤和中间层的机械性质 Table 1. Mechanical properties of the optical fiber
材料参数 光纤的弹性模量 涂敷层的弹性模量 涂敷层的泊松比
中间层的外径 光纤的外径 传感器长度
符号
Eg Ep μ rm rg L
数值 7.2 x 1010 3~5 x 109 0.25~0.35
摘 要：当光纤光栅传感器埋设在结构中或粘贴于结构表面后，由于中间层的存在使结构的真实应变和光纤光栅传 感器所测得的应变之间存在一个传递系数。在已有的应变传递理论的基础上，经过分析得出影响光纤光栅传感器应 变传递的主要因素，它们是光纤光栅传感器的长度、中间层的厚度、弹性模量和泊松比。结果表明，光纤光栅传感 器平均应变传递随着传感器长度的增加而升高，随着中间层厚度的增大而降低，随着中间层的弹性模量的增加而增 大；中间层的泊松比对平均应变传递率的影响很小，在设计中可以忽略。 关键词：固体力学；光栅光纤传感器；参数分析；应变传递；中间层 中图分类号：TB125 文献标识码：A
由于土木工程结构的施工过程属于典型的粗 放式作业，如何保护光纤光栅传感器，使其在浇注、 振捣和压模等过程中不被冲击损坏，是光纤光栅传 感器成功用于结构健康监测的关键。根据被测结构 的不同，光纤光栅传感器的封装一般采用直接埋入 结构[3]、表面直接粘贴[4]、金属薄套管封装[5]、钢片 封装[6]、两端夹持固定[7]等方式。因为光纤光栅传 感器的裸光纤部分主要成分是二氧化硅，其抗剪能 力比较差，容易折断，所以在实际应用中不论采用 何种封装方式，都需要对裸光纤部分进行胶接保护 或者保留涂敷层保护。由于胶接层或者涂敷层与裸 光纤相比，物理特性存在着较大的差异，使结构的 真实应变和光纤光栅传感器所测得的应变不一致。
光纤光栅传感器所用的光纤与普通光纤相同， 各个厂家生产的光纤物理性质基本一致，所以对光 纤的物理参数不做讨论。现在应用于工程的光纤光 栅传感器大部分采用毛细钢管封装，这种钢管的内 直径一般为 0.8mm。根据参考文献[9]中给出的光纤 和涂敷层的机械性质，表 1 给出了各种物理参数的 大致范围，以作进一步讨论用。
工程力学
171
α = 1− sinh(k L / 2)
(1)
k L / 2 cosh(k L / 2)
式中，α 为平均应变传递率，即光纤光栅传感器的
测量应变与基体实际应变的比值； L 为光纤光栅传
感器的长度； k 为与光纤和中间层材料特性有关的
参数，由下式给出
k2 =
1
(2)
(1 +
μc )
Eg Ec
第 24 卷第 6 期 Vol.24 No.6
工程力学
2007 年 6 月 June 2007
ENGINEERING MECHANICS
169
文章编号：1000-4750(2007)06-0169-05
光纤光栅传感器应变传递影响参数研究
*周广东，李宏男，任 亮，李东升
(大连理工大学土木水利学院海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024)
比 μc 。
2 影响参数分析
在实际应用中，中间层主要由环氧树脂组成， 它是一种混合材料，其各组分的比例发生变化将会 引起中间层的物理参数(如弹性模量、泊松比等)产 生很大的变化。为了使光纤光栅传感器所测得的应 变尽量接近结构的真实应变，以减小测量误差，这 就需要平均应变传递率尽可能的大。下面就中间层 的各物理参数和光纤光栅传感器的长度对平均应 变传递率的影响进行分析。
1.1 光纤光栅传感器的测量原理 光纤光栅传感器是利用光纤的紫外敏感特性，
在光纤的一段范围内沿光纤轴向使纤芯折射率发 生周期性变化而形成的芯内体光栅(FBG)。当光纤 光栅产生轴向应变时，将改变光纤光栅传感器的工
作波长，即光纤光栅的反射波长将发生变化。因此， 通过测量埋入结构中或者粘贴在结构表面的光纤 光栅的反射光波长的变化即可得知该点结构的应 变变化。 1.2 光纤光栅传感器的应变传递公式
R
基体
中间层
光纤
x
R 基体
光纤
x
O
L
2L
(a)
(a) 传感器区标据
(b)
(b) 四分之一光纤和坐标系
σm
基体
σm
τ(x,rm)
σc
R
τg(x,rg)
σc+dσc/dx
rm r
σg
光纤光纤
σg+dσg/dx rg
x
O
(c)
(c) 光纤和中间层应力分布
图 1 光纤轴对称截面图
Fig.1 Coordinate system and free body diagram of
Pak[8]通过对埋入光纤传感器的基体承受平行 于光纤传感器的远场剪应力的分析，得出了当粘接 层的弹性模量为基体弹性模量和光纤弹性模量的 几何平均时，粘接层能够传递最大的剪应力。Ansari 等[9]假定光纤传感器粘贴长度中心的应变与基体应 变相同而得出了光纤传感器的轴向应变和剪应力 分布，进而采用试验进行了验证，但是存在一定的 误差。高庆等[10]考虑纤维尾端应力修正了传统多纤 维基体的 Cox 剪滞模型，并将其应用于短纤维复合 材料的应变传递分析。李东升和李宏男[11]在总结以 往学者研究成果的基础上，假定光纤传感器粘贴长 度中点的应变变化率与基体的应变变化率相同，重 新对光纤传感器的轴向应变和结构应变之间的关 系进行了推导，得出了更加合理的应变传递公式。
对结构性能进行监测和诊断，及时发现结构的 损伤，评估其安全性已成为未来土木工程的必然要
求，也是土木工程学科发展的一个重要领域[1]。传
感器的选取是进行结构健康监测的重要环节，光栅
光纤传感器(Fiber Bragg grating sensor，简称 FBG) 由于其体积小，灵敏度高，耐腐蚀，抗电磁干扰， 分布或者准分布式测量，可实现远距离的监测与传 输等优点，在短短的十几年的时间内得到了广泛的
然而，以上研究只是得出了结构实际应变和光 纤传感器所测应变之间的应变传递率。本文在我们 以往工作[11,12]的基础上，具体分析了影响光纤光栅 传感器应变传递率的各种因素。并对传感器的长度 和中间层的物理性质参数给出了合理的建议，为光 纤传感器的设计和实际应用提供参考。
1 光纤光栅传感器原理及应变传递计 算公式
symmetrical section of optical fiber
光纤光栅传感器埋入结构以后对结构进行应 变测量时，部分真实的结构应变被中间层吸收，因 此深入讨论结构应变和传感器应变的关系是决定 检测结果可信程度的重要因素。
李东升和李宏男[12]在假设光纤光栅传感器材
料和中间层材料处于弹性阶段的情况下，对 Farhad Ansari 等人[9]提出的应变传递公式进行了改进，得 到光纤光栅传感器的平均应变传递率为：
STUDY ON INFLUENCING PARAMETERS OF STRAIN TRANSFER OF OPTIC FIBER BRAGG GRATING SENSORS
*ZHOU Guang-dong , LI Hong-nan , REN Liang , LI Dong-sheng
(Stห้องสมุดไป่ตู้te Key Lab of Coastal and Offshore Engineering and School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)
———————————————
收稿日期：2005-09-02；修改日期：2005-11-10 基金项目：国家自然科学基金(50408031)；辽宁省科学技术重点基金(20042149)；辽宁省科学技术面上项目(20032120)资助 作者简介：*周广东(1982)，男，四川人，硕士生，从事光纤光栅传感器研究(E-mail: dagongzhougd@)；