摘 要

结构在服役过程中由于自然环境的风蚀、材料腐蚀与老化等长期耦合作用，会出现不同程度的损伤。损伤的积累会导致结构的失效从而引发一系列的事故发生，影响人们正常的生产生活，危及人们的财产安全甚至人身安全。裂缝是一种常见的损伤形式，裂缝的出现会破坏结构的抗渗性和整体性，将影响结构的强度和稳定性，对结构的裂缝损伤进行早期检测具有重要意义。由于光纤传感技术相对于传统传感技术有着抗电磁干扰、耐腐蚀、可分布易成网等特点，本文利用光纤传感技术对结构的裂缝进行检测。根据光纤FP和光纤FBG传感原理，通过实验利用光纤FP传感器进行了裂缝宽度的测量，利用光纤FBG传感器对裂缝应变进行测量，两者对比分析研究裂缝宽度与应变的对应关系。

关键词：光纤；FP；FBG；裂缝监测

Abstract

Due to the long-term coupling effect of wind erosion, corrosion and aging of the natural environment, the structure will be damaged to varying degrees. The accumulation of damage will lead to the failure of the structure, thus causing a series of accidents, affecting people's normal production and life, endangering the safety of people's property and even personal safety. Cracks are a common form of damage. The appearance of cracks will destroy the impermeability and integrity of the structure. It will affect the strength and stability of the structure. It is of great significance to detect the fracture damage early in the structure. As the optical fiber sensing technology has the characteristics of anti electromagnetic interference, corrosion resistance and easy to distribute into the network, the optical fiber sensing technology is used to detect the cracks in the structure. According to the optical fiber FP and fiber FBG sensing principle, the crack width is measured by optical fiber FP sensor, and the optical fiber FBG sensor is used to measure the fracture strain, and the corresponding relationship between the crack width and the strain is compared and analyzed.

Key Words: Optical fiber; FP; FBG; fracture monitoring

目　　录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 裂缝检测国内外发展现状 2

第2章 光纤FP与FBG传感原理 4

2.1 光纤传感器 4

2.1.1光纤传感器的原理 4

2.1.2 光纤传感器的构成 4

2.1.3 光纤传感器的特点 4

2.2 光纤FP干涉仪 5

2.2.1 光纤FP传感器原理 5

2.2.2 光纤FP传感器的制作 7

2.2.3 解调方式 8

2.3 光纤FBG传感器 9

2.3.1 光纤传感原理 9

2.3.2 光纤光栅的应变传感模型 10

2.3.3 解调方式 11

第3章 裂缝损伤的光纤传感检测 13

3.1 裂缝开度光纤法珀传感测量 13

3.1.1 实验目的 13

3.1.2 实验器材 13

3.1.3 实验原理 13

3.1.4 实验步骤 13

3.1.5 实验记录 14

3.1.6 实验现象 16

3.1.7 数据处理 16

3.1.8 实验结论 16

3.2 裂缝应变测量 17

3.2.1 实验目的 17

3.2.2 实验器材 17

3.2.3 实验原理 17

3.2.4 实验步骤 17

3.2.5 实验数据记录 18

3.2.6 实验数据处理 19

3.2.7 结论 22

第4章 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1 引言

现代科学技术的不断发展，使工程材料呈现出一些新的特征。例如大量使用高强度材料和超高强度材料、工作环境恶劣、结构大型化、广泛采用全焊接结构等。针对工程材料的这些新特点，尽管人们小心翼翼地严格按照经典强度理论进行强度设计，但灾难性的事故还是接连发生：1998年6月3日，德国的一辆火车发生脱轨事故，造成了近百人伤亡。事故发生后，经调查，车厢的车轮内部出现了疲劳断裂现象，导致了这场德国近50年来最惨重的铁路事故的发生。2002年5月25日，由于金属疲劳，一架中国航空611号的波音747客机，在由桃园国际机场飞往香港国际机场的途中，在澎湖外海高空处发生解体坠毁。事故导致206名乘客及19名机组人员遇难，根据之后回收的机身残骸，造成解体的机尾处裂痕至少长达2.3米，而大量研究表明在高空中，飞机上的裂痕不能超过1.5米，不然就有结构崩毁的可能。

　　人们所见到的金属虽然看起来铮铮筋骨，被广泛地用来制作兵刃、机器、飞机、舰船等等。然而，金属也有它的不足之处：金属在各种外力的反复作用下，会出现疲劳状态，一旦它产生疲劳现象，就会因不能得到恢复而造成十分严重的后果。金属疲劳指的是，金属材料在承受交变载荷或者应变时，所引起的金属内部的缺陷发展以及金属构件的局部结构变化的过程。金属疲劳使得金属材料的力学性能逐渐下降，直至金属构件龟裂或完全断裂。实践证明，金属疲劳已经是一种十分普遍的现象，疲劳断裂已成为金属构件失效的一大主要原因，船舶的螺旋桨、飞机的起落架、汽车的前后桥、压力容器结构的焊缝以及电站锅炉的受热面焊缝、冶金、石油机械及铁路桥梁的大多数零构件都是在循环交变的荷载环境下工作的，所以疲劳断裂是它们失效的主要形式。大量的统计资料显示，在金属部件中，由于疲劳而引起的损伤在80%以上。金属疲劳带来危害的现象也同样会发生在人们的日常生活中。比如，行驶中自行车，如果前叉突然折断，就会导致人仰车翻的后果；锄地的时候铁锨发生断裂、炒菜的时候铝铲折断、刨地时铁镐突然从中一分为二等类似现象更是比比皆是。

为什么金属在疲劳时会产生破坏作用呢？这是由于在金属的内部，它的结构并不是均匀分布的，从而会导致应力的不均衡传递，某些区域就会成为应力的集中区。此外，许多微小的裂纹还存在于金属内部的缺陷处，这些裂纹在力的持续作用下会变得越来越大，导致材料中能够传递应力的部分逐渐减少，直到剩余的结构部分不能够再继续传递荷载时，金属构件就会被毁坏从而失效。

研究认为，这些断裂都起源于结构的缺陷或者断裂，这些缺陷可能是焊接、咬边、夹杂或者表面机械伤。特别是，现阶段高强度铝合金材料被大量用于大型结构中，大大减轻了结构的重量。然而铝的韧性差、硬度低，材料容易出现裂纹，引发恶性断裂事故。研究铝合金材料裂纹的发生与扩展的传感器技术，对铝合金材料的裂纹损伤实施实时在线监测，防止断裂事故发生，具有重要意义。光纤传感技术作为新一代智能传感技术的代表，有着传感器体积小、抗电磁干扰能力强、便于复用组网和易于安装等优点，非常适用于裂纹的发生与扩展的实时在线监测。

1.2 裂缝检测国内外发展现状

现在光纤Bragg光栅传感器在大型结构工程领域越来越广泛地得到应用。国家的游泳中心“水立方”，布设了250个光纤FBG光栅应变和温度传感器用来获得建筑的钢结构在整体焊接完成卸载时的实际应变与设计应变之间的差值，并在奥运会期间对结构运营时的应力和应变进行实时的监测^[1]。2004年，Yoji Okabe 等人提出了一种新的利用CFG检测复合结构CFRP中微裂缝的办法，他们在2个0°层之间夹一个90°层，并在90°层和上面的0°层中间粘贴啁啾光栅。沿着材料的纵向，施加力的作用，撤掉材料中产生的裂缝将释放参与的应力，改变光栅的有效折射率与光栅周期，从而在反射谱相应的位置就会出现凹陷。裂缝和凹陷相对应的，检测反射谱凹陷的波长就能够确定裂缝所处的位置。光纤光栅传感技术以其自身的优势，在结构裂缝监测等工作中得到了广泛的应用，然而由于其自身很容易折断的特点，其测量的范围较小。2014年，包腾飞等人设计了一种简易弯曲型光纤光栅裂缝传感装置，通过实验对此传感装置的性能进行了验证^[2]。此装置明显提高了普通光纤光栅传感器的测量范围，且具有良好的重复使用性，以应对实际工程中裂缝开展情况的不确定性。光纤布拉格光栅在航空结构的健康监测中也发挥着不可或缺的作用，美国国家宇航局在1979年，首次将光纤布拉格光栅传感器埋入了航空航天的复合材料中，并对其结构进行健康监测^[3]。在此之后，Takeda等人报道了利用FBG传感器，对复合材料中裂缝出现的位置、由于低速冲击以及循环载荷作用引起的碳纤维复合材料层合板脱层等损伤形式进行了一系列的研究^[4]。Hideki等人也利用了FBG传感器监测疲劳裂纹在具有修补结构的AI板上的扩展^[5]。

通常，FBG是通过测量布拉格波长峰值偏移量转化为沿着光纤的轴线的应变分量的应变传感器。然而，材料中有损伤存在时，产生应变梯度，此时多个应变分量或沿着FBG轴的应变场中的不均匀性或不连续性，反射的FBG光谱通常显示出明显的变形^[6]。例如，北京宇航航空设计部在光波导耦合模理论的基础上，创建了FBG处于不均匀应变场中的反射光谱的数学分析模型。可以从FBG反射光谱中提取关于这些应变的信息，用于结构健康监测^[7]。

哈尔滨工业大学的田石柱等人利用基于光纤F-P原理的光纤位移计测量了支梁在三分点加载的挠度^[8]。

结构损伤的检测可采用外观目测、基于仪器设备的局部损伤检测、基于静态测量数据的结构损伤检测和基于动态测量数据的结构损伤检测等方法，它们各有特点，使用于不同的工程实际。外观目测和基于仪器设备的局部损伤检测方法属于传统的损伤检测方法，欠着的检测结果与检测人员的水平和经验密切相关，而且只能发现外部损伤，结构的内部损伤则无法探测。超声检测法是应用最广泛的局部无损检测方法，主要优点是可以检测远离结构表面的内部裂缝，并且确定裂缝的位置。基于静态测量数据的损伤识别只需使用结构的刚度特性即可对结构进行评估，而结构的静态测量数据与结构的刚度有关，因此如果有足够的测量数据就不难推算结构的刚度，从而对结构的损伤进行识别，识别的结果易于对结构的损伤进行精确的定位，且具有较高的精确度和稳定性。通过安装在结构上的传感设备，对结构的振动进行实时监测，可以获得结构不同阶段的振动特性；对结构的振动特性的变化进行分析处理，有可能获得结构物理参数的变化情况，从而达到损伤检测的目的。

金属结构的裂缝发生具有空间随机性和不确定性，因此，采用具有空间连续监测能力的准分布式光纤传感技术对裂缝进行实时有效的监测，基于测量结果逆向获得损伤信息与判据。实验利用光纤FP传感器腔长的变化对试件裂缝宽度进行了测量，通过利用光纤FBG传感器对试件的裂缝进行应变测量，分析对比研究裂缝宽度与应变的关系。

第2章 光纤FP与FBG传感原理

2.1 光纤传感器

2.1.1光纤传感器的原理

光纤在最早的时候在光学行业中是用来传像和传光的，20世纪70年代初，在生产出低损耗的光纤后，通信技术中开始利用光纤进行信息的长距离传输。随着光纤技术的发展，光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（如偏振态、相位、频率、振幅等）在外界参量（温度、压力、磁场等）的作用下，导致直接或间接地发生相应变化，所以光纤可以作为敏感元件来测量各种物理量。在光纤中传输的光波与外界被测参数相互作用，使得光波参数发生了改变，成为了被调制的光信号，利用光电探测器接受此信号，经由解调器解调从探测器输出的电信号而获得外界被测参数。

2.1.2 光纤传感器的构成

光纤传感器系统，包括光纤、光源、光探测器、传感单元和信号处理电路五个部分组成。光纤负责信号的传输和感知外界信息，既是传输媒介又是传感单元，相当于一个调制器；光源负责信号的发射，相当于一个信号源；光探测器负责信号之间的转换，将光纤输送过来的光信号转换成为电信号；信号处理电路类似于一个解调器，用于还原外界信息。

光纤传感器系统是以调制和解调为主要研究内容的，但在设计光纤传感系统时也必须考虑到光源与光探测器。对于光纤传感器系统，常用的光源有：白光源、半导体光源和激光器，其中，半导体光源用的最多。常见的光探测器有电荷耦合（CCD）阵列、光电二极管和光电三极管等。光纤传感器是光纤在非通信领域内的应用，由于其性能各异、种类较多，对光纤提出了各种各样的要求，对比光纤通信，光纤传感器会用到种类较多也相对复杂的光纤。

2.1.3 光纤传感器的特点

与传统的传感器做对比，光纤传感器的主要特点有：

（1）耐高温、耐腐蚀、电绝缘、抗电磁干扰、本质安全

光纤传感器是利用光波来传输信息的，而作为传输媒介的光纤又耐高温、耐腐蚀、电绝缘，因此光纤传感器不会影响外界的电磁场，也不受强电磁的干扰，并且安全可靠。这些优点使得它能够在石油化工、各种大型机电、冶金高压、易燃易爆、耐腐蚀、强电磁干扰的环境里安全有效地进行传感。

1. 灵敏度高

得力于光波的干涉技术和长光纤，使得不少光纤传感器的灵敏度高于普通传感器，有的已通过实验和理论验证，比如测量加速度、温度、磁场、辐射等物理量的光纤传感器。

1. 体积小、重量轻、外形可变

光纤除了体积小、重量轻的特点外，还有形状可改变的特点，因此可利用光纤来制成各种尺、外形不同的光纤传感器，这对狭窄空间、航空、航天的应用十分有利。

1. 分布式

在目前的传感器领域中，分布式光纤传感器是唯一具有可以在几十米到上百公里的大空间范围内进行分布式测量的传感器。

1. 测量对象广泛

目前已有性能不同用来测量压力、温度、速度、加速度、位移、振动、流量、液面、水声、电场、磁场、电流、电压、液体浓度、核辐射、杂质含量等各种化学量和物理量的光纤传感器在使用。

1. 易成网

在多参量复用和多传感器的组网方面比较方便，有利于和现有的光通信技术组成光纤传感网络和遥测网。

1. 可兼容

光纤传感器对于被测介质的影响较小，有益于医药生物领域的应用。

1. 低成本

与现有的同类传感器相比，有些种类的光纤传感器成本偏低。

2.2 光纤FP干涉仪

2.2.1 光纤FP传感器原理

光纤法珀传感器是用光纤构成的F-P干涉仪,目前应用广泛、技术成熟、历史较长。对于光纤法珀传感器系统，它的传感单元是光纤法珀腔，用来获取被测对象的参量信息。要实现不同参量的传感，要求光纤法泊腔有着多种结构形式，不同的结构形式对应不同的传感特性。光纤F-P干涉仪中的光纤法-珀腔主要有三种代表性的结构：线型复合腔、本征型以及非本征型。其中，非本征型法泊腔是应用最为广泛、性能最好的一种。本征型的光纤法-珀腔是指它的法-珀腔本身是由光纤构成，而非本征型光纤法-珀腔是利用两个光纤端面（在两端面上不镀高反射膜或镀高反射膜层）之间的空气缝隙构成一个腔长L的微腔。当相干光束沿着光纤入射到这个微腔时，光纤会在微腔的两个端面产生反射，反射回来的光沿着原路返回时，二者相遇后发生干涉，输出信号和微腔的长度存在一定的关系。当外界的参量（力、位移、电压、磁场、温度等）以一定的方式作用在此微腔上时，微腔的腔长L会发生相应改变，从而输出的信号也会发生相应的变化。根据以上光纤法珀腔的传感原理，微腔腔长L甚至外界参量的变化都可以从干涉的输出信号的变化得到，由此来实现各种参量的传感。比如，直接在变形对象上固定光纤法珀腔，则对象的微小变形就可以直接地传递给法珀腔，从而导致输出光的变化，形成光纤法泊应力/应变/振动等传感器；将光纤法泊腔固定在一个磁致伸缩的材料上，就能构成光纤法珀磁场传感器；若在热膨胀系数线性度高的热膨胀材料上固定光纤法珀腔，腔长就会随着材料的伸缩发生变化，从而可以构成光纤法珀的温度传感器。电致伸缩材料上固定光纤法泊腔就能构成光纤法珀的电压传感器。光纤法珀传感器是由光学法珀传感器发展形成，它是由两块相互严格平行的光学平行平板（端面镀高反射膜）组成的光学谐振腔。假设镜面的反射率和透射率分别为R和T，且有T R=1。对于其余的损耗，比如反射镜对光的散射或吸收，均可忽略不计，那么它的反射率和折射率分别为：

（2.1）

（2.2）

当反射率均为R时，根据经典的多光束干涉公式，可得光学法珀腔的反射输出为

（2.3）

透射输出为

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