光纤光栅传感器在道路工程中的应用简介

罗旭 姜涛 姜臻

(1.沈阳市交通工程质量与安全监督处，辽宁沈阳 110015;2.营口市交通工程技术监理咨询公司，辽宁营口 115000;3.大连理工大学，辽宁大连 116023)

0 引言

光纤光栅传感器是一种无源传感器，其利用光纤纤芯的光敏特性，在光纤的纤芯上建立周期性折射率分布，以此来控制光在该区域的传播模式。光纤光栅的这一光学结构特征，使其具备一些独特的性质。如，折射率的周期性调制，使特定波长的光波会被光栅反射或透射，那么光纤光栅就成为一个窄带的反射(或透射)镜。当一束宽谱光射入到光栅中，因为折射率的周期调制，光波就会产生耦合，使得光纤光栅的入射端就会反射出满足布拉格方程的谐振波长的反射谱［1］。光纤中制作光栅的技术引起了人们的兴趣，是因为光纤光栅的出现不仅给光纤通信技术和光纤传感技术，而且给很多其他领域带来了又一次里程碑式的革命，使人们可以设计和制作光纤光栅的新型光有源/无源器件和智能传感器。光纤光栅传感器可以在路面浇筑时埋入道路基层和路面结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。多个光纤光栅传感器还可以串接成一个网络对结构进行分布式检测，得到的信号传输到中央监控室进行遥测。因此在道路工程中，光纤光栅传感器可以成为结构监测的重要手段。

1 工作原理

在光学系统中，反射镜和光学衍射光栅是非常重要的光学器件，它可改变光的传播方向或用来分析多色光的频率。一般情况下衍射光栅是在一块不透明屏上刻出若干狭缝，它们相互平行并相互隔开一定的距离。这种光栅调制入射平面波的振幅。光纤光栅传感器通过调制相位得到衍射光栅，在光传播的路径上放置一个透明物体，透射波的相位取决于光在透明物体中的光程，周期性地改变透明物体的厚度即可完成对入射波的相位调制。

光纤芯中的折射率调制周期由式(1)给出:

其中，λ为固定紫外光源波长;θ为两相干光束之间的夹角。

图1 光纤光栅传感器原理图

对于宽带光波，光栅只会对很窄的频率进行调制。当宽带光波进入光纤光栅传感器，入射光能在特定的窄频内反射光波，对于其余的透射光谱则进行透射(如图1所示)，这样，光纤光栅就起到了选择的作用［2］。

其中，λB为反射光中心波长;neff为有效折射率;Λ为光栅周期。由此通过观察波长的改变则可以得知想要的参数变化的情况。

光纤Bragg光栅传感器的研究目前主要集中在温度和应力的分布式量测中，温度T和应变ε变化引起的λB的改变见式(3)。

其中，ΔλB为Bragg中心波长漂移量;pij为光压系数;ε为应变改变;α为热膨胀系数;ξ为热光系数;ΔT为温度改变。

当作用于光纤Bragg光栅的被测物理量(如温度、应力等)发生变化时，相应会引起neff和Λ的改变，从而得到反射光中心波长的漂移，借助于漂移的反馈，就可以知道测量物理量的信息［3］。

2 光纤光栅传感器在道路工程中的应用

1993年，加拿大的Beddington Trail大桥是最早使用光纤传感器进行监测的桥梁之一，使用了贴在钢增强杆和碳纤维复合材料筋上的16个光纤光栅传感器，对桥梁结构进行了长期监测。该项目是一个光纤传感器应用的尝试，这是其第一次集成于一座大型结构，并进行了长期监测的重要项目。

德国德累斯顿A4高速公路上一座预应力混凝土桥上也应用了此项技术，其跨度72 m，德累斯顿大学的Meissner等人将Bragg光栅埋入桥的混凝土柱中，测量荷载下响应，并且用应变片作了对比试验，证实了光纤光栅传感器在应用过程中的可靠性。

Moyoa等人开发了一种以碳纤维材料为基体组成的复合材料制成的光纤光栅应变传感器，由于光纤光栅在碳纤维材料中，所以产生了应变损耗，改变了光纤光栅的灵敏度，在应用之前需要先进行标定试验［4］。

光纤光栅在国内的应用情况如下:

欧进萍、周智等人研制开发FRP-OFBG智能复合筋，并在混凝土梁中进行试验，这种智能筋可以感知自身的应变情况。并将其应用到道路工程当中，研制出路面结构用光纤光栅应变传感器［5］。

其中使用的FBG应变传感器如图2所示。

图2 长标距和短标距GFRP封装FBG应变传感器

泰安—莱芜一级公路建成于1993年10月，对该路段进行旧路改造，在改造过程中采用了FBG传感器。陈少幸等人利用光纤光栅对沥青路面结构的应变测试研究，采用两种金属外壳封装的光纤光栅应变传感器对沥青路面结构的应变进行了测量，并在试验路上进行了试验［6］。

得到的应变实测值与实际值对比如图3所示。

2005年，在山东泰安—莱芜的高速公路改造工程中，哈尔滨工业大学、山东大学及山东省公路局联合对新型的路面结构层进行了监测。在其过程中就利用了光纤光栅传感器。在其试验过程中传感器的成活率得到了保证并且能够准确定位其传感器的存活位置。

图3 应变实测值与实际值对比(单位：μm)

2006年哈尔滨工业大学应用FRB光纤光栅传感器在北京六环高速路进行了监测研究。光纤光栅传感器埋在中、下面层的底部，监测所在位置的动态三向应变以及实时温度。经过长期的实验和监测可以保证光纤光栅传感器在复杂路面条件下的成活与准确率［7］。

3 光纤光栅发展前景

光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景。现在光纤光栅传感器有着很多发展方向:

1)光纤结构简化:传感器由光纤构成且只使用一根光纤已成为发展趋势。目前，光纤之间的粘结技术以及光纤光栅的制作技术都渐渐成熟。

2)同步采集多数据:单个传感器可以测量应变、温度以及多个数据的技术得到研究并取得了一定的研究成果。

3)高精度实用化:光纤传感器在研究时都是假想为线性的，与实际情况有出入，在实际应用过程中要进一步的提高精度。

4)信息自动化:传感器与信息网的同步联网，多区域的同时检测和分析也是很重要的研究方向。

同时，在道路的应用中，因为道路环境的恶劣性，如何提高传感器的成活率和测量精度也是目前需要进一步解决的问题。

［1］姜德生.光纤光栅传感器的应用概况［J］.光电子·激光，2002(4):76.

［2］竺 绩.光纤光栅的传感应用研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士论文，2006.

［3］苑立波.光纤光栅原理与应用(一)——光纤光栅原理［J］.光通信技术，1998(1):11.

［4］Chang C C.Development of Fiber Bragg Grating Sensor Based Load Transducers［A］.Proc of the Optical Fiber Sensors Conf.(OFS 12)［C］.Williamsbure，VA，USA，1997.

［5］欧进萍，周 智，王 勃.FRP-OFBG智能复合筋及其在加筋混凝土梁中的应用［J］.高技术通讯，2005，15(4):3.

［6］陈少幸，张肖宁，徐全亮，等.沥青混凝土路面光栅应变传感器的试验研究［J］.传感技术学报，2006(4):117-119.

［7］王赫喆.工程化光纤光栅传感器及其在路面结构中的测试研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士论文，2006.