CN1949009A - 分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法是一种用于结构设施的健康检测和监测的分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法，该应变传感器由多个长标距光纤布拉格光栅(1)应变传感器串联而成；其中单个长标距光纤布拉格光栅(1)在光纤布拉格光栅(1)的两端分别连接有除去涂覆层的单模光纤(2)，在光纤布拉格光栅(1)和除去涂覆层的单模光纤(2)的外部套有套管(6)，套管(6)的两端分别通过光纤与套管的固定点(7)固定在除去涂覆层的单模光纤(2)上，除去涂覆层的单模光纤(2)的两端分别通过熔接点(8)与外部的单模光纤光缆相连接，复合材料封装层(9)包覆在以上结构的外面。

Description

分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法

技术领域

本发明是一种用于结构设施的健康检测和监测的分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法，属于光纤应变传感器制造的技术领域。

背景技术

结构的健康监测包括整体与局部监测。以加速度计为代表的整体监测的传感器已经较为成熟，但是大量的研究及工程实际表明，仅仅基于模态(频率、振型等)的整体监测方法在结构损伤诊断和参数识别上仍然面临较大的困难。而基于应力(应变)的局部监测，一方面由于相应的传感器在稳定性和耐久性上远远不能满足结构长期监测的需要，另一方面，传统的“点”应变片常因局部应力集中和裂缝出现而失效，并且在大型土木结构上分布布置也不实际，但是结构中的局部损伤如果不是出现在安置的传感器测试范围之内很难被准确地检测，从而无法有效地捕捉到事先不可预知的结构破坏。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法，实现健康监测过程中结构整体信息与局部信息的融合，实现对大型结构的局部破坏诊断如混凝土结构的裂缝监测和钢筋腐蚀及结构整体性能评价，实现微小应变情况下例如环境振动下的高精度测试，解决传感器的安装便宜性，稳定性和耐久性问题。

技术方案：本发明的分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器由多个长标距光纤布拉格光栅应变传感器串联而成；其中单个长标距光纤布拉格光栅在光纤布拉格光栅的两端分别连接有除去涂覆层的单模光纤，在光纤布拉格光栅和除去涂覆层的单模光纤的外部套有套管，套管的两端分别通过光纤与套管的固定点固定在除去涂覆层的单模光纤上，除去涂覆层的单模光纤的两端分别通过熔接点与外部的单模光纤光缆相连接，复合材料封装层包覆在以上结构的外面。

首先制造单个长标距FBG传感器封装结构：

制作工艺具体步骤如下：

1)剥落裸光栅附近一段长度(大于标距L)光纤的被覆层，酒精清洁后，穿过长度为标距长的套管，两端与光缆熔接；

2)用胶将光纤固定在套管的一端，在另一端预拉以满足压应变测量的需要，然后固定光纤与套管。之后用胶将套管固定在CFRP线材或片材上，确保套管不弯曲；

3)将环氧树脂沿CFRP线材或片材均匀涂抹，待树脂固结硬化后，整个结构成为一体共同工作。

关键在于套管的使用，使包含FBG在内的光纤在套管内部处于自由状态，并将光纤固定在套管的两端，从而形成传感器内部长标距范围内光纤的均匀应变，确保FBG测量的应变代表了长标距范围内平均应变。

光纤在被固定于套管两端之前预拉产生一定的初始应力，有利于测量压缩变形；

利用纤维-树脂合成的复合材料做封装层有助于传感器的耐久性和长期稳定性，以及与各种土木工程材料的良好粘结和共同工作；

本封装方法将传感器与普通商用光缆连成整体，体积小，质量轻，可借用现有的比较成熟的光缆安装连接及铺设规范，方便现场安装；

与同类长标矩FBG应变传感器相比，可以方便地用树脂全面粘贴在结构物的表面，不用现场两端焊接，而且更为重要的是可以埋入结构物的内部。

为了改善上述单个长标距FBG传感器的性能(如防腐，防水，增敏及温度补偿)，可以将标距范围内的光纤在套入套管前进行重涂。光纤布拉格光栅的表面涂有第一重涂层，在光纤布拉格光栅旁的除去涂覆层的单模光纤的表面涂有第二重涂层，套管套在第一重涂层和第二重涂层的外面。针对增敏的要求，采用两种具有不同弹性模量的材料重涂裸光栅，例如用树脂重涂FBG部分(L₀)，用树脂和纤维的复合材料重涂剩余部分；(2)针对温度补偿的要求，采用两种具有不同温度膨胀系数的材料重涂裸光纤，使传感器的组合温敏系数为零；(3)重涂材料要求防水防腐。

用于微小应变测试的长标距FBG应变传感器制作工艺具体步骤如下：

1)剥落裸光栅附近一段长度(大于标距L)光纤的被覆层，酒精清洁；

2)采用两种具有不同弹性模量的材料重涂裸光栅，例如用树脂重涂FBG部分(L₀)，用树脂和纤维的复合材料重涂剩余部分；

3)将重涂后的光纤穿过长度为标距长的套管，两端与光缆熔接

4)用胶将光纤固定在套管的一端，在另一端预拉以满足压应变测量的需要，然后固定光纤与套管。之后用胶将套管固定在CFRP线材或片材上，确保套管不弯曲。

5)将环氧树脂沿CFRP线材或片材均匀涂抹，待树脂固结硬化后，整个结构成为一体共同工作。

关于长标距FBG应变传感器的温度补偿

1)关键在于采用两种具有不同温度膨胀系数的材料重涂裸光纤，使传感器的组合温敏系数为零，即外界温度变化对传感器无影响。

2)使用套管，将重涂的光纤在套管内部处于自由状态，并固定在套管的两端，；

3)光纤在被固定于套管两端之前预拉产生一定的初始应力，有利于测量压缩变形；

4)利用纤维-树脂合成的复合材料做封装层有助于传感器的耐久性和长期稳定性，以及与各种土木工程材料的良好粘结和共同工作；

5)本封装方法将传感器与普通商用光缆连成整体，体积小，质量轻，可借用现有的比较成熟的光缆安装连接及铺设规范，方便现场安装；

6)与同类长标矩FBG应变传感器相比，可以方便地用树脂全面粘贴在结构物的表面，不用现场两端焊接，而且更为重要的是可以埋入结构物的内部。

分布式长标距FBG应变传感器

分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器由多个长标距光纤布拉格光栅应变传感器串联而成。

制造工艺的详细叙述：

1)剥落一系列裸光栅附近一段长度(大于标距L)光纤的被覆层，酒精清洁；

2)采用两种具有不同弹性模量和温度膨胀系数的材料重涂裸光栅；

3)将重涂后的光纤穿过一以各段标距为间隔留有孔隙的套管，在穿过端与光缆熔接；

4)用胶将光纤固定在套管的一端，在另一端预拉以满足压应变测量的需要，然后在各个孔隙的位置用胶依次固定光纤与套管；

5)用胶将一系列套管固定在CFRP线材或片材上后，统一用环氧树脂涂抹。待树脂固结硬化后，整个结构成为一体共同工作。

安装布置方式：

复合材料封装的FBG传感器小型轻质，能很好地与其它结构材料粘结，确保了传感器能方便地埋入或表面安装于被测结构物而不影响其原有的力学性能。考虑分布式长标距FBG应变传感器的特性，提出了两种沿被测结构物布置的方式：

1)全分布式布置。由于结构的损伤位置和程度无法事先预知，而应变具有局部特性，为了对整个结构进行监测，将分布式长标距FBG应变传感器沿被测结构物进行分布式布置。

2)局部分布式布置。结合理论计算和实际工程经验，事先对结构的应变分布进行预测，仅在应变相对较大的位置布置FBG传感器。

特点：

1)关键在于选择两种合适的材料重涂裸光纤，一方面弹性模量不同，使长标距范围内(L)的变形大部分或全部由包含FBG的中央部分(L₀)承担，另一方面温度膨胀系数不同，使传感器的组合温敏系数为零，即外界温度变化对传感器无影响。

2)使用套管，将重涂的光纤在套管内部处于自由状态，并固定在套管的两端；

3)光纤在被固定于套管两端之前预拉产生一定的初始应力，有利于测量压缩变形；

4)利用纤维-树脂合成的复合材料做封装层有助于传感器的耐久性和长期稳定性，以及与各种土木工程材料的良好粘结和共同工作；

5)本封装方法将传感器与普通商用光缆连成整体，体积小，质量轻，可借用现有的比较成熟的光缆安装连接及铺设规范，方便现场安装；

6)与同类长标矩FBG应变传感器相比，可以方便地用树脂全面粘贴在结构物的表面，不用现场两端焊接，而且更为重要的是可以埋入结构物的内部。

7)要实现分布式测量，图6示结构可以直接安装在结构物上确保传感部分连续。光纤布拉格光栅(FBG)的基本传感原理

光在光纤布拉格光栅(FBG)的传输如图7所示，理论推导可以证明，为使FBG具有最大反射率和最小的透射率，其中心波长应该满足

                    λ_B＝2n_eΛ

其中n_e为光栅的折射率调制深度，Λ为栅格周期。目前已有的基于FBG的各种传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变FBG的中心波长，达到测试物理量的目的。

1)应变灵敏度

                   △λ_B＝λ_B(1-P_e)*ε

其中，P_e是材料的光弹系数。对于石英光纤，P_e≈0.22。因此对于常用波段λ_B＝1550nm有：

                   △λ_B＝(1.2pm/με)*ε

2)温度灵敏度

                   △λ_B＝λ_B(α+ξ)*△T

其中，α使光纤材料的热膨胀系数，ξ是热光系数。一般情况下，α＜＜ξ。对于多种光纤，当温度在20～150℃之间时，ξ≈7.2×10^-6/℃；在400℃之间时，ξ≈10×10^-6/℃。因此对于常用波段λ_B＝1550nm有：

                  λ_B＝(11pm/℃)*△T

本发明主要应用了FBG的应变灵敏特性，即中心波长受应变的影响发生漂移。并且试图通过温度补偿的方式，使FBG不受外界温度变化的影响。

用于微小应变测试的长标距FBG应变传感器的实现原理

假设传感器的标距两端与被测结构物粘结良好，无相对位移，详细的公式推导及说明如下：

设套管内的光纤采用两种不同的封装材料。δ₁，δ₀为两部分的位移，ε₁，ε₀为相应的应变，E₁，E₀为相应的弹性模量，A₁，A₀为相应的横截面面积。

标距两端的总位移：δ＝δ₁+δ₀＝ε₁L₁+ε₀L₀

套管内各点的受力都相同，因此有：

${\mathrm{\ϵ}}_1:{\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{N_0}{E_1{A}_1}:\frac{N_0}{E_0{A}_0}=\frac{1}{E_1{A}_1}:\frac{1}{E_0{A}_0}$

故FBG部分的应变为 ${\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{\mathrm{\δ}}{L_0+\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1}(L-L_0)}$

平均应变 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\mathrm{\δ}}{L}=\frac{L_0+\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1}(L-L_0)}{L}{\mathrm{\ϵ}}_0=((1-\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1})\frac{L_0}{L}+\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1})\·{\mathrm{\ϵ}}_0$

令 ${\mathrm{\α}}_E=\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1},$ ${\mathrm{\α}}_L=\frac{L_0}{L}$ 则有 ε＝(α_L+α_E-α_Lα_E)·ε₀，至此可以得到以下重要结论：

a)ε₀＝η· ε，其中 $\mathrm{\η}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_L+{\mathrm{\α}}_E-{\mathrm{\α}}_L{\mathrm{\α}}_E}$ 称为放大系数

这里， ε是由被测结构物的变形引起的，大小与传感器本身无关；ε₀为FBG测量的应变。由上式可见，只要选择合适的α_E，α_L，即选择合适的封装材料和长度，反映到FBG上的应变大小可以放大。这极大改善了环境振动下结构物的应变测量值过小容易被噪音淹没的不利情况，为环境振动应变测试开辟了新的途径。若α_E＝1，即采用完全相同的材料封装传感器，则有ε＝ε₀。这就是我们最初提出的长标距FBG传感器的封装制作方法。

b)考虑E₀＜＜E₁，即α_E→0，则 $\mathrm{\η}\≈\frac{1}{{\mathrm{\α}}_L}=\frac{L}{L_0},$ 相当于传感器标距L范围的变形完全由套管内部L₀长度的部分承担。

c)目前实际封装时采用高弹模纤维复合材料封装图示绿色部分，用普通环氧树脂封装图示红色包含FBG的部分。实验已验证，该情况下E₀＜＜E₁，FBG测量的应变和实际结构物的平均应变满足： ${\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{L}{L_0}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}$

长标距FBG应变传感器温度补偿的实现原理

假设传感器安装在温度膨胀系数为零的被测结构物上，即温度变化对被测结构物没有影响。此外假设被测结构物不受外力，传感器的标距两端与被测结构物粘结良好，无相对位移，这里即为零。设FBG的温敏系数为γ_T，应变敏感系数为γ_ε。

假设套管内的光纤采用两种不同的封装材料，δ₁，δ₀为两部分的位移，ε₁，ε₀为相应的应变，E₁，E₀为相应的弹性模量，C₁，C₀为相应的温度膨胀系数，A₁，A₀为相应的横截面面积。

仅温度变化引起的总位移 ${\mathrm{\δ}}^T={\mathrm{\δ}}_1^T+{\mathrm{\δ}}_0^T=(C_1(L-L_0)+C_0{L}_0)T$

由于总位移δ＝δ^T+δ^N＝0，所以传感器两端必然有一外力，设为N。

因此，由温度引起的该封装结构中FBG中心波长的漂移由三部分组成：

λ＝λ₁+λ₂+λ₃

λ₁由FBG部分封装材料的温度膨胀引起；λ₂由外力N引起；λ₃为温度对FBG本身的影响。

显然λ₁＝C₀Tγ_ε

从上述用于微小应变测试的长标距FBG应变传感器的开发可知，由外力N引起的FBG的应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_0^N=\frac{{\mathrm{\δ}}^N}{L_0+\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1}(L-L_0)}=-\frac{{\mathrm{\δ}}^T}{L_0+\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1}(L-L_0)}$

因此 ${\mathrm{\λ}}_2={\mathrm{\ϵ}}_0^N{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ϵ}}=-\frac{{\mathrm{\δ}}^T{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ϵ}}}{L_0+\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1}(L-L_0)}=-\frac{(C_1(L-L_0)+C_0{L}_0)T{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ϵ}}}{L_0+\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1}(L-L_0)}$

令 ${\mathrm{\α}}_E=\frac{E_0{A}_0}{E_1{A}_1},$ ${\mathrm{\α}}_L=\frac{L_0}{L},$ ${\mathrm{\α}}_C=\frac{C_0}{C_1},$ 则 ${\mathrm{\λ}}_2=-\frac{C_1(1-{\mathrm{\α}}_L)+C_0{\mathrm{\α}}_L}{{\mathrm{\α}}_E(1-{\mathrm{\α}}_L)+{\mathrm{\α}}_L}T{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ϵ}}$

λ₃＝Tγ_T综合以上各式可得： $\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3=(C_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ϵ}}-\frac{C_1(1-{\mathrm{\α}}_L)+C_0{\mathrm{\α}}_L}{{\mathrm{\α}}_E(1-{\mathrm{\α}}_L)+{\mathrm{\α}}_L}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ϵ}}+{\mathrm{\γ}}_T)T$ 这里要消除温度的影响，即温度变化，FBG中心波长无漂移，则

${\mathrm{\η}}_T=C_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ϵ}}-\frac{C_1(1-{\mathrm{\α}}_L)+C_0{\mathrm{\α}}_L}{{\mathrm{\α}}_E(1-{\mathrm{\α}}_L)+{\mathrm{\α}}_L}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ϵ}}+{\mathrm{\γ}}_T=0$

η_T是一个仅与材料有关的系数，可见只要选择合适的封装材料，温度对该长标距FBG应变传感器的影响可以消除。考虑采用一种材料封装，即A₁＝A₀，E₁＝E₀，C₁＝C₀，则α_E＝1，α_L＝1，则η_T＝γ_T≠0，显然无法实现温度补偿。所以采用两种以上不同的封装材料是实现温度补偿的必要条件。考虑E₀＜＜E₁，即α_E→0，由η_T＝0可得 $C_1=\frac{{\mathrm{\γ}}_T}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ϵ}}}\·\frac{{\mathrm{\α}}_L}{1-{\mathrm{\α}}_L},$ 与C₀无关。一般情况下有：γ_T＝11pm/℃，γ_ε＝1.2pm/μm，则 $C_1\≈\frac{{10\mathrm{\α}}_L}{1-{\mathrm{\α}}_L}$ (μm/℃)其中0＜α_L＜1。若 ${\mathrm{\α}}_L=\frac{1}{2},$ 则C₁≈10

有益效果：与现有技术相比，本发明提出的分布式长标矩FBG应变传感器的封装结构有以下优点：

分布式长标距FBG应变传感器可以实现下列重要测量：a)平均应变测量。平均应变可以避免因裂缝等因素引起的应力/应变集中，从而使测量的应变值能直观地反映构件的曲率。b)分布式测量。可以尽可能的涵盖结构较大范围，获得一个由所有平均应变分量构成的向量，从而提供相对完整的结构信息。c)动态测量。高速FBG解调***能高效地获取分布式平均应变的时程曲线，转换至频域后，可以获得宽幅频谱曲线，从而得到高阶的自振频率及模态平均应变。这为基于振动的结构健康诊断提供了有利条件。

本发明用于对RC(钢筋混凝土)或其它复合结构等大型结构物进行局部破坏的分布监测，如监测裂缝的发生、位置及程度，监测结构材料的徐变，监测钢筋是否腐蚀，监测混凝土强度是否退化。

本发明可以利用长标距传感器的高精度应变测量结果取代挠度计等变形测试方法用于结构物的整体性能评价。尽管挠度计是目前公认的对结构整体性能进行测量最为直接有效的传感器，但是由于安装时需要一个基准位置限制了其实际的使用，例如桥梁跨中不可能有这样的“基准点”放置挠度计。

本发明用于测量环境振动下桥梁及其他结构物的动态应变时程，以此提取结构物的特征模态参数，为结构的健康监测提供依据。而且值得特别指出的是，在弯曲型结构中，与加速度实际上是一种挠度自由度的测量类似，平均应变实际上是转角自由度之差的测量，从而间接地提供了一种转角自由度的测量方式。也就是说，分布式的长标距FBG应变传感器可以提供与加速度计等价的动态测量，前者强调转角自由度，后者强调挠度自由度。

本发明用于实现温度变化复杂等环境条件下的高精度测量和结构物的适时和长期监测。

附图说明

图1是常见商品化光纤布拉格光栅(FBG)示意图。

图2是单模光纤光缆(SMC)示意图。

图3是单个长标距FBG传感器封装结构示意图。

图4是用于微小应变测试的长标距FBG传感器封装结构示意图。

图5是长标距FBG传感器的温度补偿封装结构示意图。

图6是分布式长标距FBG传感器封装结构示意图。

图7是FBG的测试原理示意图。

以上的图中有：光纤布拉格光栅1，除去涂覆层的单模光纤2，单模光纤3，保护层4，缓冲层5，套管6，固定点7，熔接点8，复合材料封装层9，单模光纤光缆的封装点10，第一重涂层11，第二重涂层12，芯层13，包层14，涂覆层15，FBG栅格周期16。

具体实施方式

该应变传感器由多个长标距光纤布拉格光栅1应变传感器串联而成；其中单个长标距光纤布拉格光栅1在光纤布拉格光栅1的两端分别连接有除去涂覆层的单模光纤2，在光纤布拉格光栅1和除去涂覆层的单模光纤2的外部套有套管6，套管6的两端分别通过光纤与套管的固定点7固定在除去涂覆层的单模光纤2上，除去涂覆层的单模光纤2的两端分别通过熔接点8与外部的单模光纤光缆相连接，复合材料封装层9包覆在以上结构的外面。所述的光纤布拉格光栅1的表面涂有第一重涂层11，在光纤布拉格光栅1旁的除去涂覆层的单模光纤2的表面涂有第二重涂层12，套管6套在第一重涂层11和第二重涂层12的外面。第一重涂层11、第二重涂层12针对增敏的要求，采用两种具有不同弹性模量的材料重涂裸光栅，例如用树脂重涂FBG部分(L₀)，用树脂和纤维的复合材料重涂剩余部分；针对温度补偿的要求，采用两种具有不同温度膨胀系数的树脂及纤维材料重涂裸光纤，例如树脂采用环氧树脂，纤维采用碳纤维或PBO(poly-p-phenylenebenzobisoxazole)等高分子复合材料；使传感器的组合温敏系数为零。

重涂材料要求防水防腐。

制作的简易长标距FBG应变传感器

目前实验室制作的简易长标距FBG应变传感器，具体实现过程如下：

1)剥落裸光栅附近一段长度(大于标距L)光纤的被覆层，酒精清洁后，穿过直径约1mm长度为标距L的钢套管，在穿过端与光缆熔接；

2)用502胶在钢管的一端固定光纤，在另一端预拉以满足压应变测量的需要，然后固定光纤与钢管的另一端；

3)在CFRP线材两端挂等质量的砝码确保线材被拉直，用502胶将套有光纤的钢管固定在CFRP线材上，确保其不弯曲，然后再用相同的线材覆盖在钢管上；

4)用环氧树脂沿CFRP线材均匀涂抹，待树脂固结硬化后，整个结构成为一体。

光纤布拉格光栅1(FBG)，固有长度通常为1-2厘米

除去涂覆层的单模光纤2，直径0.25毫米

单模光纤3(SMF)，直径0.5毫米

套管6，直径约0.5毫米

第一重涂层11(含FBG部分)，长度L₀

第二重涂层12(不含FBG部分)，有效长度为(L-L₀)

在RC梁中的应用实例

分布式长标距FBG光纤传感器在RC结构健康监测上的应用可以概括为两个层次。一是以裂缝监测为代表的损伤诊断，二是结构的整体性能评价。以下简要概括FBG传感器在RC梁应用中的部分重要结论。

如上所述，传统的“点”应变片常因局部应力集中和裂缝出现而失效，而且在大型土木结构上分布布置也不实际。长标距FBG传感器可以弥补这两方面的不足，一方面应变平均化缓和了裂缝出现后导致的局部应力突变，确保传感器仍能有效工作；另一方面，串接长标距FBG传感器可以在整个结构或者结构的一定区域进行分布测量，涵盖相对完整的裂缝信息。试验表明一根跨度2m的普通RC梁，标距0.2m的FBG传感器可以有效地监测裂缝的出现、位置及程度。

能用于对结构的整体性能进行评价是分布式长标距FBG传感器最为突出的优点。试验表明，一根跨度2m的普通RC梁，四点弯，标距0.4m以上的FBG传感器测量的平均应变与RC梁的跨中挠度有很好的线性关系。这一重要现象说明，只要标距和位置合适，长标距FBG传感器完全可以取代位移计，而众所周知，位移计是对结构整体性能进行测量最为直接有效的传感器，但是由于安装时需要一个基准位置限制了其实际的使用，例如桥梁跨中不可能有这样的“基准点”放置位移计。此外，与理论计算的结果比较发现，实测的0.2m长度内的平均应变和理论值比较吻合，两个0.2m长度内的实测平均应变平均后得到的0.4m长度的应变以及四个0.2m长度内的实测平均应变平均后得到的0.8长度的应变与理论值更为一致，这为基于实测的平均应变对RC结构进行诸如荷载评估，刚度同定，钢筋应力估算等逆分析提供了重要依据。结合以上的裂缝监测可见，一根跨度2m的普通RC梁，标距0.2m的FBG传感器经分布布置后既可以有效地监测裂缝又可以评估整个构件性能。

振动测试实例

1)钢梁

一长1m，宽50mm，高3mm的悬臂钢梁的振动测试表明：一标距为10cm的

FBG传感器和一相应频率50Hz的加速度计安装在梁的自由端，捶击振动下可以测量钢梁的应变和加速度时程反应，经过快速富立叶变换，可以得到结构的频谱曲线，从而可以利用峰值简单地找出铜梁的固有频率。可以发现，FBG传感器和加速度计得到的结构固有频率非常吻合。

2)RC桥墩的振动台试验

一高2m，横截面为45cm×80cm的RC桥墩的振动台试验表明：当FBG传感器用环氧树脂粘贴在试件两个侧面的顶部，具有相同标距的应变片贴在其侧面平行的位置用以比较时，两者测量的地震应变响应基本重合，简谐振动下的时域和频域曲线也有很好的一致。

Claims (4)

1.一种分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器，其特征在于该应变传感器由多个长标距光纤布拉格光栅(1)应变传感器串联而成；其中单个长标距光纤布拉格光栅(1)在光纤布拉格光栅(1)的两端分别连接有除去涂覆层的单模光纤(2)，在光纤布拉格光栅(1)和除去涂覆层的单模光纤(2)的外部套有套管(6)，套管(6)的两端分别通过光纤与套管的固定点(7)固定在除去涂覆层的单模光纤(2)上，除去涂覆层的单模光纤(2)的两端分别通过熔接点(8)与外部的单模光纤光缆相连接，复合材料封装层(9)包覆在以上结构的外面。

2.基于权利要求1所述的长标距光纤布拉格光栅应变传感器，其特征在于所述的光纤布拉格光栅(1)的表面涂有第一重涂层(11)，在光纤布拉格光栅(1)旁的除去涂覆层的单模光纤(2)的表面涂有第二重涂层(12)，套管(6)套在第一重涂层(11)和第二重涂层(12)的外面。

3.根据权利要求2所述的长标距光纤布拉格光栅应变传感器，其特征在于第一重涂层(11)、第二重涂层(12)针对增敏的要求，采用两种具有不同弹性模量的材料重涂裸光栅；针对温度补偿的要求，采用两种具有不同温度膨胀系数的材料重涂裸光纤，使传感器的组合温敏系数为零。

4.一种如权利要求1所述的分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器的制造方法，步骤如下：

1)剥落裸光纤布拉格光栅(1)附近的一段长度大于标距L的光纤被覆层，酒精清洁后，穿过一以各段标距为间隔留有孔隙的套管(6)，两端与光缆熔接；

2)用胶将具有光纤布拉格光栅(1)的单模光纤(2)固定在套管(6)的一端，在另一端预拉以满足压应变测量的需要，然后在各个孔隙的位置用胶依次固定光纤与套管，之后用胶将套管(6)固定在CFRP线材或片材上，确保套管不弯曲；

3)将环氧树脂沿CFRP线材或片材均匀涂抹，用胶将一系列套管固定在CFRP线材或片材上后待树脂固结硬化。

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