圖1 布拉格(FBG)光柵應(yīng)變片工作原理

圖2 使用相位掩模法制作布拉格光柵。掩模罩造成入射紫外線的二次折射，在光纖芯上確定最大和最小干涉模式，光纖的折射率根據(jù)引入光線強(qiáng)度發(fā)生永久改變，柵格的精確間距構(gòu)成布拉格光柵。

除了應(yīng)變以外，布拉格光柵同樣對(duì)溫度敏感。因此也可以使用布拉格光柵監(jiān)測(cè)溫度，但是也就意味著一個(gè)應(yīng)變傳感器配合一個(gè)溫度傳感器同時(shí)測(cè)量，可以對(duì)應(yīng)變傳感器的溫度效應(yīng)進(jìn)行有效的補(bǔ)償。另外，布拉格光柵也可以用做測(cè)量其它物理量的傳感器，比如傾角、加速度、壓力等等。

1）監(jiān)測(cè)巴西圣保羅地鐵線路的隧道變形和收斂特性

HBM FiberSensing 公司幫助設(shè)計(jì)了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在巴西圣保羅一條運(yùn)行的地鐵線路的隧道變形和收斂特性，附近一個(gè)高層建筑正在施工建設(shè)。隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要保證高層建筑支撐墻的挖掘和施工過程不能影響地鐵運(yùn)行，同時(shí)確保乘客的安全。確定隧道收斂性的引伸計(jì)方法在這個(gè)項(xiàng)目中使用布拉格光柵傳感器來測(cè)量在隧道不同點(diǎn)的應(yīng)變值并轉(zhuǎn)換為隧道支撐的位移量。同時(shí)能量化這些支撐的收斂特性和幾何尺寸隨時(shí)間的變化。

圖3 隧道監(jiān)測(cè)某個(gè)測(cè)量面的安裝

對(duì)隧道的兩個(gè)截面實(shí)施監(jiān)測(cè)，每個(gè)截面有7個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)安裝一個(gè)應(yīng)變傳感器和一個(gè)溫度傳感器。一臺(tái)4通道、機(jī)架安裝式FS22解調(diào)儀用來借解調(diào)所有的傳感器，數(shù)據(jù)每分鐘采集一次，處理后保存在一個(gè)數(shù)據(jù)庫。一個(gè)19寸機(jī)架安裝在附近保護(hù)測(cè)量單元、服務(wù)器PC、UPS電源和互聯(lián)網(wǎng)連接裝置。被測(cè)的波長(zhǎng)值經(jīng)過計(jì)算得到經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變值和評(píng)估的收斂特性。

2）監(jiān)測(cè)阿爾及利亞索拉大橋的應(yīng)變和溫度測(cè)量

一套HBM FiberSensing公司的應(yīng)變和溫度測(cè)量系統(tǒng)用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)阿爾及利亞康斯坦丁Rhumel河上一座長(zhǎng)1.1公里的索拉大橋。這套系統(tǒng)和常規(guī)技術(shù)的傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并行安裝并即集成一整套結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。事先組裝為陣列的應(yīng)變和溫度傳感器預(yù)埋在混凝土中，陣列的每一端有一個(gè)光纖接頭。有四根光纖和接頭的光纜用來連接多個(gè)陣列。這種預(yù)先組裝的傳感器陣列提高了現(xiàn)場(chǎng)安裝的效率，不只是因?yàn)楣饫|數(shù)量的減少，也因?yàn)槭穷A(yù)裝了接頭從而在現(xiàn)場(chǎng)不需要專業(yè)人員和設(shè)備。一臺(tái)4通道光纖解調(diào)儀同步采集22個(gè)應(yīng)變傳感器和18個(gè)溫度傳感器的數(shù)據(jù)。這臺(tái)解調(diào)儀和其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接并且通過局域網(wǎng)控制。

圖4 混凝土澆注前安裝在一個(gè)大橋面板上的嵌入式應(yīng)變傳感器