摘 要

为了把握建筑结构是否安全可靠，对建筑结构进行应变检测十分重要。但是建筑材料的应力无法通过技术手段直接进行测量，应力只能间接的由应变检测得到反映，所以应变是建筑结构安全性和可靠性的外部表现。光纤F-P应变传感器具有结构简单、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、耐潮、耐腐蚀、长期稳定性好、电绝缘性好等优点，弥补了传统应变传感器中的诸多缺陷，使其能够大范围应用在建筑结构的应变检测中。

光纤法布里珀罗Fabry-Perot interferometrer（F-P）传感器具有很高的应变灵敏度，适合用于应变测量。其中，非本征型光纤F-P应变传感器（extrinsic Fabry-Perot interferometrer ,EFPI）的结构简单可靠，温度-应变交叉灵敏度很低，其解调也相对较容易，在应变测量中有显著优势。本文将EFPI用于悬梁臂结构的静态应变测量。通过在悬梁臂的砝码盘上不断增加砝码，使其应变增加，测量并记录EFPI腔长和光谱的变化。实验采用了相位解调法对信号进行解调，虽然相位解调的算法相对来说比较复杂，但是对于光源的光强整体变化和不同光纤传输过程中的损耗的变化导致的入射光强的变化几乎不会对相位解调结果产生任何影响，相位解调的结果准确而且不易变化。

实验结果显示制作出的非本征型F-P应变传感器的灵敏度高，大约在15.3μm/kg，重复性良好，具有很好的应变测试能力。

关键词：光纤F-P应变传感器；静态测量；相位解调；双峰寻峰算法

Abstract

In order to grasp whether the building structure is safe and reliable, it is very important to carry out strain detection on the building structure. However, the stress of building materials cannot be directly measured by technical means, and the stress can only be reflected indirectly by strain detection, so strain is an external manifestation of the safety and reliability of the building structure.The optical fiber F-P strain sensor has the advantages of simple structure, strong anti-electromagnetic interference capability, high sensitivity, moisture resistance, corrosion resistance, long-term stability and good electrical insulation, which makes up for many defects in the traditional strain sensor and enables it to be widely applied. In the strain detection of building structures.

The fiber Fabry-Perot interferometrer (F-P) sensor has high strain sensitivity and is suitable for strain measurement. Among them, the extrinsic Fabry-Perot interferometrer (EFPI) has a simple and reliable structure, low temperature-strain cross sensitivity, and relatively easy demodulation, and has significant advantages in strain measurement. In this paper, EFPI is used for static strain measurement of cantilever beam structures. EFPI cavity length and spectral changes were measured and recorded by increasing the weight on the weight of the cantilever arm.The phase demodulation method is used to demodulate the signal. Although the phase demodulation algorithm is relatively complicated, the change of the incident light intensity caused by the overall change of the light intensity of the light source and the loss of the loss during the transmission of different optical fibers. There is almost no influence on the phase demodulation result, and the phase demodulation result is accurate and difficult to change.

The experimental results show that the extrinsic F-P strain sensor has high sensitivity, about 15.3μm/kg, good repeatability and good strain testing capability.

Key words：Fiber F-P strain sensor, Static measurement, Phase demodulation, Bimodal peak finding algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景，目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3研究内容与目标 3

1.4 本章小结 3

第2章 光纤法布里珀罗应变传感器的基本原理 4

2.1光纤传感技术原理 4

2.2 光纤传感器的分类 4

2.3 光纤法布里珀罗干涉仪原理 5

2.4 光纤法布里珀罗传感器的分类 6

2.5 非本征型光纤法布里珀罗应变传感器的基本原理 10

2.6 EFPI传感器信号解调 11

2.7 本章小结 12

第3章 光纤F-P传感器应变测量 13

3.1 法布里珀罗应变传感头的制作 13

3.2 静态应变测量装置 15

3.3传感器结构参数优化 16

3.4 实验结果与分析 17

3.5 本章小结 23

第4章 结论与展望 24

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景，目的和意义

结构健康监测指的是针对工程结构的损伤识别及其特征化的策略和过程。结构损伤是结构材料参数和几何特征的改变。结构健康监测过程涉及到使用周期性采样的传感器阵列获取结构响应，损伤敏感指标的提取，损伤敏感指标的统计分析以确定当前结构健康状况等过程。

建筑结构的局部开裂和不稳定性可能导致建筑结构被破坏，应力是和建筑结构的安全最直接相关的要素，建筑的关键位置的应力是其安全可靠的主要标志，为了把握建筑结构是否安全可靠，对建筑结构进行应变检测十分重要。但是建筑材料的应力无法通过技术手段直接进行测量，应力只能间接的由应变检测得到反映，所以应变是建筑结构安全性和可靠性的外部表现。

建筑结构的数量和种类非常多，相对应的监测技术也发展迅速。推动建筑结构理论计算以及设计方法不断发展的主要原因是这些建筑结构监测技术的快速发展。应变测量对于建筑结构的健康检测十分关键。随着建筑结构的应变增加，建筑结构会产生裂纹和缝隙，应变进一步增加会破坏建筑结构，当应变增加到超过建筑结构的承受范围时，就会发生崩塌，进而危害到人的生命安全，引发灾难，这同样会危害到经济的快速发展。对于施工中的建筑结构进行应变监测，就能够对施工质量进行监测，可以避免一些事故或灾难的发生。对于已经修建好的建筑更要进行应变监测，因为这些建筑受到地震、潮湿气候、氧化、温度、材料老化以及腐蚀、疲劳等因素的影响，建筑结构的应变状态将不断发生变化，我们这时就应该考虑该建筑是否能够继续使用以及是否安全等问题。