光纤光栅传感精度（光纤光栅应变感知特性及现场试验研究）

光纤光栅传感精度（光纤光栅应变感知特性及现场试验研究）试验选取工况1(裸光纤光栅传感器)、工况2(基片式光纤光栅传感器)、工况3(电阻应变片)3种工况，分别将对应工况传感器粘贴在制作好的岩样上。为便于对比试验，特对各光纤光栅传感器进行标定，其光纤内芯直径8 μm、外包层直径120 μm、外包保护层直径250 μm 光纤光栅传感器初始波长和封装长度分别为1 584 nm和2.8 cm。图1 岩样制作 下载原图本文基于室内试验揭示光纤光栅感知特性规律，并通过理论解析与试验对比探讨误差的影响因素，最终运用于实际工程，以期为依托工程和类似工程提供借鉴和参考。室内试验以传感器粘贴基体表面和植入基体内部2种形式为基础，探讨不同荷载作用下，光纤光栅传感器感知特性规律。在依托隧道工程现场采集花岗岩原样，利用室内切割机和打磨机对岩样进行加工制作成直径50 mm、高度100 mm圆柱体标准试样，见图1。

陈玉欣 武丽霞河北交通职业技术学院

摘 要：基于室内试验揭示光纤光栅感知特性规律，通过理论解析与室内试验对比探讨误差的影响因素，最后将光纤光栅技术运用于环境相对恶劣的隧道工程，提出应对更换解调仪、零漂、环境温度误差的控制措施。结果表明：裸光纤光栅、基片光纤光栅、电阻应变片应变感知传递因子分别为85.8%、71.9%、53.7%;二长花岗岩表面粘贴基片光纤光栅传感器，其应变感知传递效率理论解析为75.4% 与实测值基本吻合，实际工程推荐使用感知特性和便利性均较为优良的基片光纤光栅；基片光纤光栅在隧道运用中影响精度的因素主要有更换解调仪误差、零漂误差、环境温度误差，可采用标定和温度补偿等方法予以纠偏。

关键词：光纤光栅;感知特性;传递因子;误差;现场试验;

随着科学技术水平的发展，光纤光栅凭借其体积小、抗环境干扰能力强、可实现远程或长距离传输等特点在土木工程中得到了广泛的推广和应用。

而境内外学者就光纤光栅感知特性、精度等开展了较为深入的研究，主要有：张乾兵等[1]提出了椭环增敏结构传感器，实现了空间位移量测的光纤光栅，并基于数值计算手段优化了传感器单元设计，实现了高精度与大范围量程的有机结合；王金豆等[2]基于光纤光栅传感原理，研制了一种30o范围以内，精度可达4.16 dB/deg倾斜式光纤光栅传感器；丁欣[3]通过改变光纤光栅结构(纤芯偏移设置 光纤镀银) 将光纤光栅技术应用于空气流量的检测；罗志会等[4]基于室内试验手段，设计了具备耐高温、高灵敏度的光纤光栅传感器；衣云骥[5]基于梁构件特征，研制了可应用梁体位移量测的激光光纤光栅传感器；张俊杰等[6]基于光纤光栅传感器作用机理，从优化设计和减小误差2个方面进行了深入研究，为光纤光栅在工程监测中应用提供了坚实的理论基础。

本文基于室内试验揭示光纤光栅感知特性规律，并通过理论解析与试验对比探讨误差的影响因素，最终运用于实际工程，以期为依托工程和类似工程提供借鉴和参考。

1 光纤光栅传感器感知室内试验过程

室内试验以传感器粘贴基体表面和植入基体内部2种形式为基础，探讨不同荷载作用下，光纤光栅传感器感知特性规律。

(1)岩样制作。

在依托隧道工程现场采集花岗岩原样，利用室内切割机和打磨机对岩样进行加工制作成直径50 mm、高度100 mm圆柱体标准试样，见图1。

图1 岩样制作 下载原图

(2)试验工况的选取。

试验选取工况1(裸光纤光栅传感器)、工况2(基片式光纤光栅传感器)、工况3(电阻应变片)3种工况，分别将对应工况传感器粘贴在制作好的岩样上。为便于对比试验，特对各光纤光栅传感器进行标定，其光纤内芯直径8 μm、外包层直径120 μm、外包保护层直径250 μm 光纤光栅传感器初始波长和封装长度分别为1 584 nm和2.8 cm。

(3) 试验设备及调试。

加载设备选用型号为C64电伺服万能材料试验机，见图2 可实现连续位移加载、加载速率可精确到0.3 mm/s。数据接收设备分别采用TS90静态应变仪，见图3 可实现电阻式应变片0～2×104 με范围内量测，分辨率可达1 με;SM125 MOC光纤光栅传感解调仪，见图4 各通道可分别接收波长在1 000～2 000 nm内信号，分辨率可达1 pm。

图2 试样加载 下载原图

图3 TS90静态应变仪 下载原图

图4 MOC光纤光栅传感解调仪 下载原图

2 光纤光栅应变感知特性分析

选取工况1～工况3这3种不同封装形式，探讨依托工程花岗岩地层条件下光纤光栅传感器感知精度，以便为现场试验提供理论依据。

(1)将逐级荷载作用下花岗岩岩样轴向荷载与轴向位移关系进行绘制见图5。

图5 花岗岩岩样荷载～位移关系 下载原图

由图5可以看出：随着逐级荷载的增大，位移随荷载近似线性增长，当荷载达160 kN时，位移最大达0.85 mm 即其花岗岩极限位移值。可以推算依托工程花岗岩地质泊松比约0.24、弹性模量约为178 MPa。

(2)为探讨不同传感器应变感知特性，以应力～应变曲线弹性阶段为研究对象，以5 000 N为加载间隔，提取工况1、工况2、工况3在不同荷载作用下应力～应变数据，定义应变感知传递因子为式(1) 获得应变感知传递因子与应力关系见图6。

ΔλBλB=(1−Pe)ε         (1)ΔλBλB=(1-Ρe)ε         (1)

式中：λB为波长；Pe为加载载荷；ε为应变。

图6 应变感知传递因子与应力关系 下载原图

由图6可以看出：工况1(裸光纤光栅)、工况2(基片光纤光栅)、工况3(电阻应变片)不同光纤光栅基材条件下，应变感知传递因子与应力关系曲线变化规律相似，但3种工况下应变感知传递因子差异性较大，其应变感知传递因子分别为85.8%、71.9%、53.7% 说明工况1(裸光纤光栅)应变感知传递效率最好、其次是工况2(基片光纤光栅)、工况3(电阻应变片)的应变感知传递效率最差。

对于室内试验工况环境较好的情况下，建议直接使用裸光纤光栅进行数据传输测试；对于环境较为潮湿恶劣的隧道工程，建议采用应变感知传递效率较优的基片光纤光栅，适当的封装可避免潮湿恶劣环境对实测数据精度的影响；对于精度有要求的不建议使用电阻应变片。

现以工况2(基片光纤光栅)为例，结合实际二长花岗岩地层特点，理论解析应变感知特性。根据基片光纤光栅材质确定其计算参数见表1。

表1 光纤光栅计算参数 导出到EXCEL

项目	剪切模量/kPa	厚度/mm
固结层	1×104	0.2
底层	1×106	1.0

将表1计算参数带入式(2)得：

η=1−sinh(kLg)kLgcosh(kLg)         (2)η=1-sinh(kLg)kLgcosh(kLg)         (2)

式中：1k2=EgGj(∏r2gDj rg2)(hj4−rg2) 12×hmGm[Ej(hj−∏r2gDj) Eg∏r2gDj]1k2=EgGj(∏rg2Dj rg2)(hj4-rg2) 12×hmGm[Ej(hj-∏rg2Dj) Eg∏rg2Dj];Gj为黏结层剪切模量；Gm为构件剪切模量；hj为黏结层厚度；Dj为黏结层宽度；hm构件厚度；Eg为光纤弹性模量；rg为光纤直径；Lg为黏结长度。

可知在二长花岗岩表面粘贴基片光纤光栅传感器，其应变感知传递效率为75.4% 与实测71.9%基本吻合，从理论上再次验证了应变感知特性分析的正确性。

3 光纤光栅现场试验3.1现场试验数据分析

隧道洞内环境较为恶劣，其传感器监测数据稳定性受环境影响因素较大，现以都安隧道为依托，利用光纤光栅传感器对里程DK96 390、DK96 420、DK96 480共3个典型断面隧道拱顶沉降和洞周收敛进行监测，并对相应误差影响因素进行分析。

(1)现将3个典型断面光纤光栅解调仪监测的频率数据转化为隧道拱顶沉降，并以散点形式进行绘制见图7。

由图7可以看出：随着掌子面向前推进，监测断面拱顶沉降值呈现逐渐增大趋势，但非线性增加，与常规接触测量所测曲线规律一致。其开挖后前期变化较为显著，后期逐渐趋于平稳，说明隧顶围岩变形至2 cm后呈现收敛稳定。

图7 拱顶沉降 下载原图

(2)将隧道左右水平收敛进行绘制见图8。

图8 水平收敛 下载原图

由图8可以看出：左右边墙两侧水平收敛呈现出的变化规律基本一致，由于采用台阶法开挖，当上台阶开挖后，左右边墙测点3、测点5、测点8、测点9初期增速较为迅猛，后期趋于平缓并收敛稳定；而测点2和测点6位于下台阶，初期增速较为平缓，后期与上台阶监测点一样趋于收敛稳定。

3.2现场试验误差分析3.2.1解调仪误差

现场试验过程中，存在更换解调仪造成测试数据忽增忽减突变的情况，为进一步揭示解调仪对试验误差规律及降低误差方法，开展2组平行试验，确定误差大小和标定方法。现将2组解调仪在±1×103 με应变加载范围内所测波长进行绘制见图9。

图9 解调仪标定 下载原图

由图9可以看出：不同解调仪所测数据存在一定误差，随机挑选2组解调仪对同一工况进行测试，两者所测误差基本稳定在一固定值(解调仪1和解调仪2之间误差为0.4 nm) 说明现场测试过程中更换解调仪后需要对设备进行标定，以确保消除前后不同解调仪测试所产生的误差，标定值可按式(3)进行计算。

Δλ=|λ1−λ2|         (3)Δλ=|λ1-λ2|         (3)

式中：λ1和λ2分别为更换解调仪前后波长。

3.2.2光纤光栅零漂

监控设备在实际工程应用过程中常常会出现频率或波长偏离出厂设置的零点位置，即为零点漂移。现将监测断面光纤光栅观测数据进行绘制见图10。

图10 零漂监测 下载原图

由图10可以看出：监测初期温度稳定在14 ℃左右时，光纤光栅所测应变波长和应力分别稳定在1 536 nm和19 MPa左右；但随着监测时间的推移，在实际温差大的情况，其应变波长和应力分别突变至1 533 nm和301 MPa左右，零漂现象显著，需予以关注并及时标定和更换。

3.2.3环境温度

光纤光栅在工程监测过程中，其环境温度对监测准确性影响较大。依托工程监测断面布设了8个光纤光栅应变计，其在衬砌混凝土凝结硬化过程释放了部分热量以及洞内其他环境温度变化，极限温度值相差近20 ℃ 每单位温度变化造成应变近10 με左右的误差。

针对上述实际情况，给定补偿方法如下：一方面在光纤光栅应变计埋设过程中，同时埋设一温度计，时时监测应变的同时记录温度，理论计算予以修订；另一方面与光纤光栅应变计串联一光纤光栅，予以温度补偿。

4 结语

裸光纤光栅、基片光纤光栅、电阻应变片应变感知传递因子分别为85.8%、71.9%、53.7%;二长花岗岩表面粘贴基片光纤光栅传感器，其应变感知传递效率理论解析为75.4% 与实测值基本吻合，实际工程推荐使用感知特性和便利性均较为优良的基片光纤光栅。

基片光纤光栅在实际隧道运用中影响精度的因素主要有更换解调仪误差、零漂误差、环境温度误差，可采用标定和温度补偿等方法予以纠偏。

参考文献

[1] 张乾兵，朱维申，孙林锋，等.水电站洞群模型试验中位移量测方法的研究[J].水利学报，2010 41(9):1087-1093.

[2] 王金豆，葛海波，李彩虹，等.倾斜长周期光纤光栅的折射率传感特性[J].光通信技术，2020 44(4):23-25.

[3] 丁欣.基于超声波相位差法的氢气检测仪设计[D].哈尔滨理工大学，2017.

[4] 罗志会，张宇，张勇，等.基于超弱光纤光栅的LAMOST内部温度监测方法[J].传感器与微系统，2020 39(12):10-13.

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[6] 张俊杰，杨双龙，梅星，等.FBG传感器测值误差分析及改进方法研究[J].人民长江，2018 49(5):100-104.