1.研究背景与意义
对隧道、桥梁、大坝、电站、高层建筑等大型民用基础设施的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分，大型民用基础设施的安全可靠性成为关系民生安全的一件大事[1]。对飞行器、舰艇等结构的应力监测则是国防安全领域的重要课题。另外，对特殊工程作业场合如矿井油田等的应力检测对保障工程安全也十分重要。因此，研究在复杂多变的各种实际工程环境中的应变测量具有重大意义。
在石油煤矿生产活动中，对原油储罐、石油管道等温度的监测环境苛刻，具有腐蚀性且需要在无缘环境下完成实时监测；在桥梁大坝等建筑的应变聚集区，需要对易产生形变或裂纹的区域进行实时监测和报警，要求传感器可采用埋入式或表面贴附式等贴放方式，并能将传感器并联或串联组网，达到对结构健康的多点式或全分布式监测。光纤光栅传感器是一种性能优良的光无源器件,具有体积小、耐腐蚀、抗干扰能力强、响应迅速、灵敏度高、基于波长编码、便于组建大规模传感器阵列进行分布测量等优点使其被广泛应用于船舶、航空航天、石油煤矿、健康监测等领域。光纤光栅应变传感系统以Bragg光纤光栅谐振方程为理论基础，在只考虑轴向应变的情况下，结合基于扫描半导体激光解波法的光纤光栅解调仪，实现波长扫描精度为1pm，分辨率为0.1pm，波长扫描范围为1528-1568nm，采样频率为3Hz的高精度、定频测量。因此，如何精准的接收、处理前端系统传出的信号并同步显示出测得数据成为一个亟待解决的问题，它要求软件具有强大的数据采集和处理能力以及灵活的功能转变能力，本软件采用 labview 作为光纤光栅测应变软件的开发平台[5]。
Labview 是一种图形化的编程语言和开发环境，被公认为是标准的数据采集和控制处理软件，它包含专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发工具，通过建立直观的虚拟仪器降低了编程难度，提高了人机交互能力。同时 labview 由数据流驱动，并且支持多个数据通道同步运行，这为测应变系统的多组数据实时处理与同时显示提供了条件。本软件是基于 labview 的开发平台，将光纤光栅反射输出的特征光谱信号进行光电转换和一系列整流滤波放大等处理后送入计算机，通过对待测目标发射一段时间内光谱光强信号的连续采集，经过软件算法，即可计算光纤光栅传感器轴向应力的大小。
2.国内外研究现状
长期以来，人们对大型民用基础设施的安全检测一直以电检测方法为主，由于电磁干扰及潮湿侵蚀使得这种方法不能实现长期置放，检测时需临时置放大量的传感器，这样不仅需要大量的人力和物力，而且需要经过专门训练的工程师，同时由于所测结果是瞬时的，不能准确、准时的预报大型民用基础设施工作状态，所以，所得结果仍然不能满足现有的安全需要。而大型民用基础设施的安全检测中以应变检测为主。目前，国内外有关应变检测主要采用电磁线圈检测法。这种方法把传感器置于高温的钢水附近，需要频繁更换传感器，这样产品的使用和维护成本较高。同时这种方法需要对全部钢包或中间包等设备进行局部的改造，费用高昂，所以在大型建筑施工过程中更不能实时监测。另外流行的无损检测技术均不能对结构进行实时监测，也不能很好地预报结构的破损情况和进行完整性的评估。这些方法的致命缺点是预报方式是自外而内的，从信息传播角度看，难免会夹杂进种种干扰信息，从而使检测结果失真、低效率，甚至会导致完全错误的检测结果[1]。
在结构内部埋入应变传感器，组成网络，就可实时监测结构的性能，主要应用于高层建筑、桥梁、大坝等工程领域，也是应变检测的新技术。八十年代美国门德斯首次提出了光纤的光纤传感器检测钢筋混凝土结构和建设的可能性。1993年,加拿大的Beddington Trail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁[6],光纤光栅传感器分别粘贴在传统钢筋,碳纤复合拉索以及碳纤拉杆这三种预应力筋上,对桥梁结构应力状态进行长期监测。基于准相干光纤应变或变形传感器的传感头可方便的埋入混凝土结构的内部或固定于任意结构的外部。为了和传统的电检测技术比较，瑞士智能结构公司于1995 年在日内瓦附近的一座高速公路桥上，同时安装了光纤传感器和传统的应变片、热电偶应变传感器。但是只有光纤传感器完成了从施工、竣工、检验和通车使用的整个过程中的混凝土固化热收缩应变负荷试验[7]。1997年,德国的Meissner等人用布拉格光栅埋入测量德国一座混凝土桥的混凝土棱柱在荷载下的基本线性响应,并与常规的应变测量仪器的实验结果作了对比,证实了光纤光栅传感器的应用可行性[8]。2000年,德国西门子公司将光纤光栅传感器应用于气冷涡轮发电机定子温度的测量,并且对发电机中的大电流进行了测量[9]。利用光纤光栅传感器能够实现远距离恶劣环境下的测量,特别是在线监测偏远山区、荒漠中的电力设备在大雪积压等恶劣天气下的工作状态[10]。
从90年代开始，我国开始了光纤传感技术的应用研究。清华大学、复旦大学、同济大学、重庆大学、哈尔滨工程大学等院校已对光纤传感器应用于大型民用基础设施检测进行了理论研究，并在实验室中做了样机实验，取得了较好的效果。近年来，光纤光栅传感器用于土木工程结构健康监测和诊断系统研究和应用正在开始，2009年，采用光纤光栅传感器的上海轨道交通6号线地铁隧道管片在施工过程中进行了监测，监测内容包括管片的钢筋应力和管片表面应变，在实际监测过程中充分的体现了光纤光栅传感器具有的高精度测量、分布式测量的优点。2008年，采用光纤光栅传感器对唐山温家庄铁矿钻井井壁下沉过程进行实时监测，监测内容为井壁外壁所受压力、混凝土应变以及钢筋应变，并对监测数据处理分析，分析结果表明：光纤光栅对钻井井壁的监测数据可达理论值的95％～98％，监测数据能够及时、准确的反映钻井井壁受力变化状况[11]。
图1.Bragg光纤光栅结构示意图
关于光纤光栅波长解调方法已有很多报道，根据波长漂移量探测器件的工作原理，这些探测方法大致可以分为如下几类：边缘滤波器法、可调滤波器法、扫描光源法。其中，边缘滤波器法测量范围小、测量分辨率低，目前在实际工程应用中已非常少见；可调谐滤波器法无法多通道探测；基于FFP的扫描激光器结构复杂、环境适应性差；扫描DFB激光器法测量范围小、系统容量小。相较于其他方法，基于扫描可调谐半导体激光器的光纤光栅解调仪，大大拓宽了扫描范围，调谐速度快，又有着很高的输出功率、很窄的线宽，同时窄的激光线宽又提高了测量的分辨率，可以实现精度1pm，波长重复性plusmn;2pm以内，满足实验的要求[12]。
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