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文章节选自《光纤光栅传感器研发及其在土木工程中的应用进展》

作者：贾俊峰，侯智献，王 蕾，白 石，张龙冠，兰春光，杜瑞民

近年来，我国加快推进基础设施建设，使得土木工程建设规模和强度不断提升。随着人们对建筑结构安全性的要求不断提高,对结构的监测需求也越来越大。因此，各种传感器和监测技术得到了广泛的研究。目前，常用的预应力监测方法有超声波检测法、应力释放法、弹磁性传感器等。但超声波检测法穿透能力有限，无法应用于较厚构件或大型构件中。应力释放法不仅检测精度较低,还会对构件造成一定损伤。弹磁性传感器容易受电磁干扰等影响无法实现精准测量。而光纤布拉格光栅(Fiber BraggGrating，FBG)传感器是近年来一种新型智能传感元件,它具有抗电磁干扰、可分布式测量、尺寸小、耐腐蚀等优点,光纤光栅传感技术还具有可分布式测量、线性度高、重复性好等优点。

光纤光栅材质较脆,抗剪能力差，为了将FBG 传感技术进行广泛应用，需辅以特殊的封装工艺进行保护。本文主要从 FBG 传感器封装方式出发,将其分为表贴式封装、纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，FRP)封装、钢管封装和嵌入式封装，并分别对这4种封装形式的研究进展进行阐述,简要介绍封装有FBG 传感器的钢绞线在实际工程中的应用，并对其在以后的发展进行展望。

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FBG 传感器工作原理

FBG 传感器是一种广泛应用于结构监测的先进传感技术。其工作原理基于光栅效应，通过光纤中的周期性折射率变化来实现对外部环境参数变化的检测。在FBG传感器中，光纤的一部分经过特殊处理形成了一个具有周期性折射率变化的光栅结构。这种光栅结构可以通过紫外光束对光纤进行周期性折射率变化的处理而实现，从而形成了一种具有周期性光学损耗的结构。当外部光信号通过这个光栅结构时，会发生波长选择性的反射和透射，形成一个特定的反射光谱。通过对反射光谱的变化进行分析，可以实现对外部环境参数变化的检测。外部环境参数的变化会引起光栅中的周期性折射率发生变化，从而导致反射光谱的移动或形状的变化。通过测量反射光谱的波长偏移或强度变化，可以实现对这些参数的高精度测量。图1为FBG 传感器工作原理图。

总体来说,FBG 传感器以其独特的工作原理和优越的性能,在各个领域展现出巨大的应用潜力,并为工程监测和科学研究提供了重要的技术支持。

FBG及 传感器应用形式

津镭光电利用飞秒激光直写的方式在任意类型光纤上加工出光纤光栅阵列。基于飞秒直写的灵活性,光栅参数可以灵活定制,包括中心波长、反射率、光栅间距,光栅个数等。拥有聚酰亚胺涂敷光纤加工能力,无需二次涂敷,增加器件的稳定性和可靠性。

FBG 传感器自出现以来，出现了多样的应用 形式，主要为表贴式 FBG 传感器、FＲP 封装 FBG传感器、钢管封装FBG 传感器和嵌入式封装FBG 传感器。

1.表贴式 FBG 传感器

将祼FBG 传感器通过粘结剂涂抹直接粘贴于被测物体表面是最简单有效的封装方式。将祼 FBG 传感器粘贴于钢筋混凝土梁纯弯段底面,实现了对梁裂缝的监测与定位。如图2所示，该监测方法用裸FBG 传感器感知应变变化，从而判断梁的受力状态和裂缝出现情况，并通过数据分析来确定裂缝位置。

2.FRP 封装 FBG 传感器

光纤外涂敷层为聚合物，它与 FRP 筋有天然的相容性，通过 FRP 筋封装光纤传感器不仅可以提高光栅的极限应变，还可以克服裸光纤光栅脆弱、布设困难的缺点且基本不会改变FRP筋自身的力学性能,因此将光纤光栅传感器埋入FRP 筋中,制成 OFBG-FRP 筋,可大大提高光纤传感器的耐久性。目前，FRP 筋作为FBG的封装材料主要有以下3种:玻璃纤维增强聚合物(CFRP)、碳纤维增强聚合物(CFRP)和芳纶纤维增强聚合物(AFRP)。

3. 管式封装 FBG 传感器

管式封装FBG主要是将裸光纤光栅用胶粘剂封装在套管中,如图3所示,其基本构造主要为套管、光纤光栅、胶粘剂、传输光缆等。在将管式 FBG 传感器用于监测时，封装材料可能会改变其应变特性和温度特性。

4. 嵌入式封装 FBG 传感器

为了解决 FBG 在其他封装方式中存活率低且量程不足的问题，出现了一种内嵌式封装方式，如图4所示,将钢绞线拆解并取出中心丝,在其上设置纵向的凹槽,用环氧树脂等粘结材料将 FBG 粘结在凹槽内部,而后将封装有FBG 的中心丝与其他普通的钢绞线边丝按一定方向扭转成型，再将光纤引出钢绞线端部用铠装材料进行封装保护。

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发布于：上海市