光纤光栅加速度传感器在民事和建筑结构中的应用
光纤光栅加速度传感器在民事和建筑结构中的应用
摘要
加速度传感器是关键部件在一个为民事和建设结构健康监测系统，特别是检测由地震和风力荷载所造成的损害。光学加速度传感器具有许多优点超过常规电器加速度传感器，例如他们的避免电磁干扰能力和远距离无需任何额外的放大器传送信号的能力。我们最近开发出一种新的光学加速度传感器是使用光纤Bragg 光栅元素。在低频率范围内，该加速度传感器的高灵敏度达到1Pm/加尔。十字架轴敏感性减到了最小使用板簧。机制受聘为这个传感器，确保在光栅的元素的统一的应变分布，使该Bragg反射高峰期将不会恶化。在另一方面，光栅元素需要压力，以吸引适当的偏见应变。这种偏见应变远高于光纤在通信业的业务限制。高应变水平是有害的并且导致在短的周期的错误。为了克服这一缺陷，可以考虑直接写入程序和使用高筛选应变。使用这些措施，布拉格因素的终身被发现延长至超过50年，即使在8000显微应用到光栅元素。多元化能力的优势是提出了液化传感器构成的光纤光栅加速度传感器和光纤光栅压力传感器。
导言
在日本，1995年兵库县南部（神户）大地震，其中超过6000人死亡， 40000建筑物被摧毁，在这之后，健康监测系统开始越来越强烈的被关注。关注同样发生在1994年northridge地震，许多钢铁建筑物遭受严重损害，主要是损害在他们的梁柱节点。这是一个令人惊讶的事实，即损害赔偿没有发现，直到对梁柱节点消除消防防护涂料。在大多数情况下，由一个简单的眼科检查的结构面是不可能找到正确的程度的损害，因为表面上的防火保护材料没有重大有形的损失。这个事实提示强烈要求在实时时间对钢铁的建筑物进行无损检测评估系统。其中一个目前正在研究可行的制度是利用动力响应分析某大厦。虽然这种方法是不适合检测小的赔偿，该方法在确定全球卫生的建筑物方面是优秀的。
在这种无损评估系统中加速度传感器发挥关键作用。这种方法在检测被大地震或风荷载所造成的损害被认为是可行的。然而申请这样一个目的，目前电动加速度传感器有一定的限制。除此之外，沉重的布线劳动和敏感性，电磁场往往成为一个障碍当安装他们到建筑里时。光学加速度传感器具有许多优点超过常规电器传感器，如他们对电磁干扰的免疫能力和他们传送远距离信号不需要任何附加放大器的能力。此外，光纤光栅有大幅降低布线劳动力的能力。这项研究需要光学加速度传感器具有高灵敏度，特别是在低频率范围内（﹤100 赫兹）为民事和建设的应用。
在早期开发阶段，光学加速度传感器已通常被配置了干涉建筑学。最近，在几个加速度传感器的光纤光栅的基础上提出了结构监测。 berkoff等人提出了一项光纤光栅加速度传感器。他们的嵌入式光栅元素成为一个在商业上可用的弹性体。固有频率的传感器是定于约2 kHz或更高的检测高频率组件。不过这个传感器有交叉轴灵敏度和双折射分裂的Bragg反射高峰。托德等人用梁式板改善了一光纤光栅加速度传感器，他们能够最大限度地减少交叉轴灵敏度以至交叉轴的灵敏度不到1％。虽然他们的系统有很多可取的特点，解决212.5显微/克对于民事和建设设计的应用是不够的。
在本文中，讨论了某些设计方面的一种新的光纤光栅为基础的加速度传感器。该系统由一悬臂梁和质量块构成。一光栅的因素是没有直接粘到悬臂，以避免可能的非均匀应变的元素。相反，布拉格是被拉紧后放在系统上实现一个统一的应变分布。交叉轴灵敏度尽量减少使用钢板弹簧。原型光纤光栅加速度传感器在它的自然频率45赫兹下可以达到的敏感性为1Pm/加尔或0.83微/加尔。振动台试验，已广泛开展以评估其动态特性。把那些得到伺服型加速度传感器的响应值进行比较，以找到一个好的协议。
以光纤光栅为基础的加速度传感器的研究，这里要求偏见应变。水平相应的应变比通常用于光纤电缆的通信更高。允许应变通常小于0.5％。在很短的服务期内，高应变水平是有害的并且导致失败的结果。为了克服这个缺点，直接以没有搬迁过程的书面程序和使用被认为是高级筛选应变在证明试验中。运用这些措施，布拉格因素的寿命将扩大到超过50年，即使在8000显微应用到光栅的元素。这些中有足够的大部分应用在民事和建筑结构。一液化传感器构成的光纤光栅加速度传感器和光纤光栅的压力传感器是作为一个例子。
设计光纤光栅加速度传感器
图1是一个光纤光栅加速度传感器的示意图。该加速度传感器由1个L形刚性悬臂梁，集中质量和弹簧组成。由于应用加速度，光栅因素被放置在点A和B的中心。光纤光栅加速度传感器的机制原理如图1所示。布拉格的因素是后张法只使用张力侧的应力条件。运用此配置，光栅要素是经常受到沿其测量长度的均匀应变分布，这会导致急剧反射特性没有扩大。此功能在很好的解决传感器的振幅范围是有吸引力的。图2是原型加速度传感器的计划和侧视图。图3是传感器的内部图。在传感器中，钢板弹簧是用来尽量减少交叉轴灵敏度的。在低频区，要达到高灵敏度，自然频率应该在45hz。在以下的分析，加速度传感器是近似为单自由度系统的无阻尼。因此，我们认为将包含在一个弹簧单元k在图1显示。
（7）据了解，在频率固定的低频范围内，地面加速度与位移成正比，与Y的幅度成反比例。应变值在光栅元素可近似表示为：
(8）原型系统的固有频率是45赫兹。光栅要素的有效长度是30毫米。常量d/l是0.2。在这种情况下， 1.0Gal（= cm/s2）产生0.83 显微。当使用1550 nm的波长光栅，波长的敏感性是1.2pm/显微。因此，加速度幅值1.0 GAL在Bragg波长中对应于1.0pm波长漂移。布拉格波长漂移Δλ（pm）和加速度幅值（GAL）之间的关系可以简单地表示为
(9）光纤光栅加速度传感器动态特性的测试，图4为进行的振动台测试。该光纤光栅波长漂移检测讯问系统是由微米光学公司解决的。这个系统决议是1pm，使的这加速传感器是约1.0Gal。图5为测试结果为3hz与采样频率为34hz的测试。
图4 振动台试验
图5 时间长度和傅立叶振幅的比较
寿命估计
该光栅元素在原型加速度传感器是经常受到偏压张力。作为一个测量范围，加上或减去2500Gal是必要的，至少2500Gal应适用于元素作为偏见应变。然而，光栅的大多数生产工艺的内容涉及涂层材料的反射率不够。虽然是重新涂在光栅上，但纤维的拉伸强度大幅度减少。在某些情况下，光栅元素不容忍应变水平低于5000显微。对这种类型的加速度传感器使用这样的元素是行不通的。
然而，最近有一种不用考虑涂层材料的方法已成立。由这种生产方法，光栅因素的力量与它原来几乎保持相同。此外，komachiya等人已经表明，该寿命可以达到为证明试验增加的筛选应变。电信光纤筛选应变的0.5％，是通常适用于作为一个证明试验。虽然增加的筛选应变的失败的结果在于纤维长度，但健全的纤维长度仍然是足够使用的。
玻璃纤维的失败是由一个表面缺点或在玻璃纤维的一条微裂纹造成的。当筛选应变的εp被应用到光纤传感器去证明tp，概率寿命体现在
（10）其中L是光纤传感器的长度，Fs是失败时间t的概率，εs是恒应变。作为一根单模纤维，疲劳常数N和特征参数m描述测试裂纹尺寸的分布，被分别给出了23.9和4 。通过实验来确定每公里失败的次数Np。
通过带有10光纤的光栅加速度传感器的传感系统来估计一个光纤光栅传感系统的寿命。每个光纤光栅加速度传感器采用了长度为30mm的遥感纤维光纤光栅。因此，该传感器的光纤总长度L大概是300mm或3×10-4Km。这个系统的失效概率Fs是非常小的，差不多是10-7。看到筛选应变水平的效果，有2.5 ％和3.5 ％两种应变水平。表1对光栅传感系统的寿命估计进行了总结。
在图6为寿命估计的曲线。从这些数据可以看出，如果光纤光栅加速度传感器与服务应变水平5000 显微和使用大型的筛选应变的2.5 ％，它的寿命可以超过50年。
表1参数值寿命的估计
参数 单位 1级 2级
筛选应变 % 2.5 3.5
加载时间 s 1.0 1.0
失效概率 1.o×
1.o×
纤维长度 Km 3.0×
3.0×
第失败的每公里 1 6
m 4 4
n 23.9 23.9
应用液化传感器
利用光纤光栅型传感器复多元化的能力，光纤光栅加速度传感器可以集成为一个液化传感器。图8为光纤光栅压力传感器。在地面表面的光纤光栅加速度传感器可用于探测地面上的加速度反应，而多个光纤光栅压力传感器可测量在地上的孔隙的水压力。在地震期间，结合孔隙水压力的数据和加速度的数据可以评价地面的液化条件。如这个例子所示，多元化传感器将是基于光纤光栅为基础的感官系统的一个有吸引力的特点。
结束语
光学加速度传感器具有许多优点超过常规电器加速度传感器，例如他们的避免电磁干扰能力和远距离无需任何额外的放大器传送信号的能力。在低频率范围内，发达国家新的光纤光栅加速度传感器的灵敏度达到1Pm/加尔。此外，使用板簧可以最大限度地减少交叉轴灵敏度。光栅元素传感器可确保均匀应变分布，使该Bragg反射高峰期不会扩大。在另一方面，光栅元素所需要的压力，导致适当的偏见应变。缺点所造成的这种偏见应变，通过直接书写程序和在实验中使用高筛选应变可以克服。这样使光栅元素的寿命延长到甚至超过50年，即使在8000微观的条件下。液化传感器的多元化功能将提高利用光纤光栅型传感器的结构监测能力。建议液化传感器构成的光纤光栅加速度传感器和压力传感器的光纤光栅运用一个光纤电缆。
