一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适用于桥梁结构、高耸结构、大跨度空间结构和冷却塔等土木工 程结构物表面应变现场实测的光纤布拉格光栅应变传感器，主要应用于土木工程中结构物 表面变形，抵抗超重等恶劣环境能力试验、结构物表面大变形监测技术领域。
【背景技术】
[0002] 既有桥梁、建筑结构的应变监测中需要高精度、高分辨率和高灵敏度的应变传感 技术。针对传统的小标距光纤布拉格光栅应变传感器，其灵敏度、分辨率、精度不高，无法达 到预期的效果，已有的长标距光纤布拉格光栅应变传感器可以在一定程度上提高应变的灵 敏度，但对提高精度的能力有限。这些常规的光纤光栅传感器可通过一定的结构优化设计 来提高其灵敏度、分辨率、精度。常规光纤布拉格光栅应变传感器由一个光栅组成，其测量 值有一定的误差。
[0003] 光纤布拉格光栅应变传感器高灵敏度，其特征是灵敏度是指传感器在稳态工作 情况下输出量变化对输入量变化的比值，它是一条输出一一输入特性曲线的斜率。本设 计在常规光纤布拉格光栅应变传感器的基础上，通过优化设计，使得中间交叉处刚度小， 其余部分刚度大，在外力作用下变形主要发生在中间交叉处，其余部分变形极小，将变形 在中间交叉处放大，增大了输出变化量，不同光纤布拉格光栅应变传感器，其标距不同，经 过计算输出变化量与输入变化量的比值和标距是成正比的，即：依靠加大基片锚固端距离 I，使其远大于光栅栅区粘接点之间的距离A，并在光栅栅区粘接点外侧设置交叉镂空 区，变形集中于交叉镂空区，即，从而使光栅感知的灵敏度放大约倍，由此 提高了传感器的灵敏度。
[0004] 光纤布拉格光栅应变传感器高分辨率，其特征是分辨率是指传感器可感受到的被 测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未 超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来 的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。本设计由于具有较大的灵 敏度，因此在解调系统波长感知分辨率不变的情况下，其最小可感知应变将是原来的;||_ ，由此提高了传感器的分辨率。
[0005] 光纤布拉格光栅应变传感器高精度，其特征是精度是指在真值附近正负三倍标准 差的值与量程之比，是指测量值与真值的最大差异。本优化设计将多个光栅串联阵列，其中 包括一个温度补偿光栅，与传统的一个光栅相比，在多个光栅共同工作的情况下，将大幅度 提高传感器的精度。
[0006] 同时，根据本优化设计可知，光纤布拉格光栅阵列应变传感器光路上是串联设计， 力学上是并联设计。如果其中有一个光栅失效，因为光纤布拉格光栅应变传感器光路是串 联设计，不会影响到其他光栅的正常使用，使得光纤布拉格光栅阵列应变传感器可靠度大 大增加。因为光纤布拉格光栅阵列应变传感器力学上是并联设计，当外荷载作用在传感器 上时，多个光栅将发生同样的变形，并且多个光栅是相互独立的，假定1~11光栅的精度依次 符合正态分布，
，则对应的光纤布拉格光栅应变传感器整体的分布同样符合 正态分布，即
应变传感器的方差将变 为原来的一，精度是指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比，由此知精度将变为原 W 来的
I因此知其精度将大幅度提高。
[0007] 结构物表面产生过大的挠度或变形，会导致结构的破坏，严重影响结构物的安全 性和适用性。因此，及时、准确地了解结构的表面变形，对结构运营期的适用性和安全性的 评估和监控具有重要意义。对结构物表面变形的监控已经成为结构健康监测的一项重要内 容。
[0008] 现场实测是确定结构表面变形的重要手段。目前，由于耗时耗资巨大，试验成本相 对较高，工作周期较长，实测数据的精度问题还涉及到传感器质量、数据采集和传递、信息 的存储和后处理等诸多因素，国内外全尺寸大型的空间结构物表面变形实测研究并不多。
[0009] 在对光纤光栅传感器进行设计时，需要考虑以下几个基本原则： (1)相容性：相容性是指传感器与被测结构之间的变形匹配问题，需要从强度、界面、 尺寸、场分布等方面考虑传感器与被测结构的物理特性能否达到相近和匹配。
[0010] (2)传感特性：要保证在封装的过程中尽量不破坏光纤光栅本身的传感特性，不降 低光纤光栅的灵敏性。例如保证光纤在受外力影响时光栅周期能够均匀改变以免产生多个 波峰。
[0011] (3)工艺性：对传感器的设计要在保证性能的前提下力求结构最简单、以方便加 工，为达到批量生产的要求需保证各个传感器在工艺和性能上的一致性以及可重复性。
[0012] (4)使用性能：同其他设备一样，在工程应用中要尽量保证传感器可以方便地安 装，易于保护，便于测试和后期维护。在一些特定场合尤其是大型施工场合，要求可以重复 使用和拆卸，传感器应具有一定的稳定性和较合理的使用寿命。
[0013] 现有的光纤布拉格光栅应变传感器封装工艺现状主要有基片式封装、嵌入式封 装、管式封装、夹持式封装。基片式封装主要是光纤光栅通过基片粘贴在被测物表面，通常 需要考虑基片的机械、化学性能以便在保证基片形状的稳固以外能很好地与光纤之间固定 并有效地传递应变。通常采用的基片材料包括金属、塑料、聚合物复合材料等。嵌入式封装 目前多数被用做智能复合筋来监测大型结构的健康状况。管式封装的应变传感器通常被埋 入到结构中监测结构的形变。夹持式封装的主要原理是在光纤光栅传感器的两端添加夹持 构件，其整体由光纤光栅、封装部件、两个夹持部件以及两个固定支点组成。可根据工程实 际所需的应变测量范围来改变标距长度，是一种灵敏度可调的增敏型结构，由于在这种结 构中粘结剂没有直接封装光纤光栅区域，因此消除了粘接剂对光纤光栅应变传递的影响。
【发明内容】
[0014] 本设计在常规光纤布拉格光栅应变传感器的基础上，综合应用加长标距和设置双 交叉镂空区、多光栅平行感知三种技术手段，最大程度上使整个锚固区之间的基片变形发 生在中间交叉镂空区之间，该变形同时被多个平行嵌固的光纤光栅感知，因此同时提高了 传感器的灵敏度、精度和分辨率。
[0015] 针对常规光纤布拉格光栅应变传感器，灵敏度、分辨率、精度无法达到预期的效 果，可通过一定的优化设计来提高其灵敏度、分辨率、精度。现在的大型工程结构体积大、跨 度大，而传统的小标距光纤布拉格光栅应变传感器很难监测结构的整体应变。长标距光纤 布拉格光栅应变传感器能够有效提高其精度，同时能够在更大的范围内测量变形。常规光 纤布拉格光栅应变传感器由一个光栅组成，其测量值有一定的误差，本设计在常规光纤布 拉格光栅应变传感器的基础上，加大基片锚固距离与光栅粘接点间距离的比值，并使得中 间交叉处刚度小，其余部分刚度大，在外力作用下变形主要发生在传感器基片中间交叉处， 其余部分变形极小，将变形在中间交叉处放大，由此提高了传感器的灵敏度和分辨率；同时 本优化设计将多个光栅串联