1. 研究目的与意义（文献综述）

表面式光电光栅传感器应变传递机理研究

1.1光电光栅传感器的研究背景

随着现代信息技术的飞速发展，计算机已经能够处理兆亿级别的数据了，因而光纤光栅技术与计算机的结合使得以往的测量点迅速扩容，信息传输量也比之前扩展了几个数量级。光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating，简称FBG），是一种传感型光线传感器，与传统的电阻式应变传感器相比较而言光纤光栅传感器的优点^[1]所在：体积小重量轻，耗能少，灵敏度高，抗干扰强。一般的表面式FBG的结构为纤芯----包层-----涂覆层^[2]，如图1.1所示：

图1.1 表面式FBG结构示意图

光纤光栅传感器因其极高的性价比，被广泛地应用于工程结构和构件的测量当中，主要包含结构物的结构缺陷测量和结构内的应力应变测量，实物如图1.2所示。并且，由于绝大多数的工程项目中都会需要对其建筑结构等进行刚度、强度和稳定性的验核，项目投入使用后也需要开展结构健康监测等维护工作。

图1.2 FBG解调仪实物图

光纤光栅传感器在水利、桥隧、电力、石化、军工等多个行业都有着很高的人气，它的使用主要包括埋入式和表面式两种分布方式[3]，埋入式主要应用于大型混凝土结构中，此前已有很多学者[4、5]对此进行过研究；表面式主要用在钢结构较多的工程中，周雪芳[6]等研究了振动传感方面。

中国作为世界第二大经济体，其在建筑结构领域的发展不可谓不迅猛，许多大型工程结构的建成都是领先于世界水平的，比如最近刚通车不久的港珠澳大桥，如图1.3。桥的全长为49.968公里，主体工程“海中桥隧”长35.578公里，是目前为止世界第一长的跨海大桥。大桥的建成可以说是跨海大桥的一大突破，其施工工艺之复杂，误差要求之精确均跻身世界前列。海洋复杂的环境条件使得对于应变的测量极其棘手，FBG以它高精度高稳定性的特点，使得水下测量与检测成为可能。

图1.3 港珠澳大桥远景图

不仅如此，从整体来说国内桥梁的建造也是非常惊人的，截止到2017年初，主跨跨径超过400米的桥梁数目如下表所示：

表1.1 我国不同桥型各跨径段的桥梁数

这其中多数的桥梁都有近20年的使用时长，有的甚至已有五六十年的历史，与发达的建造技术不相匹配的是较为滞后的健康检测与维护。这一问题逐渐被国内专家学者[] 重视。光纤光栅传感器在此中发挥了重要作用。光纤光栅传感器分布点很广，监测点更多，因此能全面反映桥梁关键部位的应力应变情况；且由于高精度的特点，监测人员可以观测更细微的变化，并根据实际做出对策措施；最关键的一点在于它极强的抗干扰性，能够适应各种气候条件。超高的性价比让光电光栅传感器在桥梁检测应用里大放光彩。

对于港航专业来说，主要研究对象是水工钢结构。随着光电光栅传感这项技术的日臻完善，光电光栅传感器的应用已经是大势所趋，港口码头尤其如此。大量钢结构裸露，加上复杂的水文环境，更需要实时监控结构的应力应变的变化。

但在光电光栅传感器的实验研究以及实际应用中，一直存在一个问题，那就是：被测基体的实际应变是否与测得的结果相一致。这一疑问产生主要是因为被测基体与纤芯之间并非直接连结，当中还隔着黏胶等。已有实验证明应变传递过程中必然会有损失，但有关传递模型的建立，各个学者都有不同的说法，总的来说都与期望值有出入，所以对于表面式光纤光栅传感效率的研究有必要进一步深入。

1.2.光电光栅传感器的研究现状

1.2.1国内研究

随着光电光栅技术的日益成熟，FBG在国内众多领域都有广泛应用。土木工程中FBG主要用于对桥隧的健康状况监测，2015年杜彦良^[7]、苏木标、刘玉红、王庆敏等人对武汉长江大桥提出长期健康监测及安全评估的研究方案，主要是利用分布式光电光栅传感器所采集的数据，在处理过后对桥体的老化情况进行分析。

图1.4 武汉长江大桥

孙阳阳、王源、章征林^[2]等人于2016年发表的期刊报告也曾针对表面式光纤光栅应变传递机理进行过探索与研究，并验证了其模型的准确性和可行性。

1.2.1国外研究

光纤光栅作为目前来说最为稳定高效的传感器，在国际上也被多个国家的研究人员重视。Eugen Baitinger等人^[8]在International Conference on Optical Fibre Sensors这一会议中就FBG粘附剂的诊断方法提出了分层诊断法，即Delamination-diagnosis-method,且证实了这一想法的可行性。Ansari F^[9]等人对于表面式光电光栅传感应变传递机理也有所研究，但其模型未考虑基体与被测材料的连接，欠缺考虑。Jun W U等分析了影响表面式光纤光栅传感器传感效率的因素，得出环氧树脂能极大提升传递效率的结论。

2. 研究的基本内容与方案

1.3本文主要内容

本文的主要内容是对表面式光电光栅传感器应变传递理论的研究，结合轴向力作用下的表面式光纤光栅传感器应变传递效率理论，并考虑基体材料和多层结构的影响，推导出表面式光纤光栅传感器应变传递率公式。采用ANSYS有限元软件，建立表面式铠装光纤光栅传感器的有限元模型。分别从模型的多层结构、基体材料弹性模量等因素来分析对传递效率的影响，并与之前理论公式计算结果进行对比分析。

3. 研究计划与安排

1) 在进行毕业设计任务分析、资料检索、调研的基础上完成开题报告。（1-2周）

2）查阅大量参考文献和资料，分析表面式光纤光栅传感器在水利、船舶等领域的的应用。（3-5周）

3) 结合轴向力作用下的表面式光纤光栅传感器应变传递效率理论，并考虑基体材料和多层结构的影响，推导出表面式光纤光栅传感器应变传递率公式。（6-9周）

4. 参考文献（12篇以上）

[1]朱四荣, 谭敏峰, 郭明金,等. 光纤布拉格光栅的横向效应研究[j]. 武汉理工大学学报, 2005, 27(9):7-9.

[2]孙阳阳, 王源, 章征林,等. 表面粘贴式光纤布拉格光栅应变传递规律分析与实验研究[j]. 功能材料, 2016, 47(7):7046-7050.