苑立波

（1．哈尔滨工程大学 理学院 光子科学与技术研究中心，哈尔滨 150001；2．黑龙江省光纤传感科学与技术重点实验室，哈尔滨 150001）

0 引 言

光纤传感器以其在复合材料与结构应用中的优势，开启了一个新的研究领域——光纤智能结构，从而使建筑结构工程师可以在他们的设计中引入光纤传感系统。用这些传感系统装备的高楼、大坝和桥梁等建筑结构就拥有了一个信息传送中枢系统，它能够在地震或暴风雨后，或者是在使用一段时间后报告这些建筑结构的健康状态。

智能结构的实现首先需要有一个能够感知并传导材料变化的神经系统，并且该神经系统本身可以作为材料结构的一部分。光纤传感技术由于具有以下特点，因此可以用来充当这种神经系统：①光纤传感器具有尺寸小和较好的柔韧性的特点，因此可以直接集成到复合材料中；②在一条光纤光路中可以集成多个传感器，实现多路复用，从而降低传感系统的造价并减少输入和输出的连接点数量；③由于光纤材料自身的特性，光纤传感器是电绝缘的，而且不受电磁场的干扰。

本研究的目的是介绍基于光纤白光干涉的传感器设计、复用和联网技术，利用改进的白光干涉光纤传感技术来满足大型结构健康监测的要求。重点介绍如下几个方面：

1）埋入结构内部的光纤应变传感器单元的设计；

2）光纤保护层对埋入式传感器性能影响的理论分析模型；

3）埋入式光纤白光干涉传感器的力学性能和热性能；

4）光纤白光干涉传感器多路复用技术的理论和试验；

5）光纤白光干涉传感系统在大型智能结构中的联网技术及其环路拓扑结构。

光纤传感系统可以感知应力和温度信息。由于光纤既可作为感知器又可作为传输数据的信道，因此理论上可以测量沿光纤长度上任意一点所受的应变和温度。这个独特的特性使光纤能够在监测建筑结构时对结构的潜在危险提供早期预警，也可以检测地面运动或超载造成的结构中某处的超额应力。此外，还可以将一根标准的光纤分布安装在一个或一组建筑结构中，用来监测结构中的过热点并给出过热点的具体位置。这种光纤传感技术可以在极早期发现可能发生的断裂或火灾，从而可以最大限度地减少人员伤害和财产损失。

这种新的光纤传感监测技术有4个主要的应用领域：①结构的健康监测和损伤评估；②实验力学的应力分析与测量；③周界安全的监测与预警；④系统的设备运行状态报告和管理控制。

首先，结构的健康监测和损伤评估包括对不同种类混凝土结构 （如混凝土梁、柱、拱和板）的弯曲和挠度的测量；其次，由于很难对复杂结构的应变场建立准确的模型，因此在实验应力分析领域，可以利用光纤白光干涉传感技术测量复杂结构的应变场，然后通过比较应变场和挠度的实际测量值和模型计算值确定更精确的设计参数，进而提高结构的安全性并降低建造成本；光纤白光干涉传感技术特别适合的第三个应用领域是目前市场需求日益凸显的周界安全的监护与预警，如：国境边界线的入侵警戒与防护；围栏的悬挂式防卫；高速公路两侧以及飞机场周界的防护；核电站等重要区域的周边防护警戒；第四种应用包括桥梁的交通流量测量和机场跑道的监测。这种监测系统能够确定大型或高速卡车通过桥梁时超载路段的长度和频率，也可以监测机场跑道的飞机着陆情况。传感系统获得的这些信息可以帮助我们评估类似事件对建筑结构造成的影响。

基于以上考虑，发展实际的白光干涉光纤传感和测量技术是十分重要的。可为设计和制作实际的监测系统 （易于运输和安装、成本低、可靠性高、可以多点测量和多路复用）提供理论与技术上的支持。为深入开展工程技术研究，如：国家边境安防，机场、核电站等重要区域的周界警戒；水库大坝、桥梁、山体斜坡、高速公路或超高层建筑等大型结构中安装或埋入光纤传感器的实际工程技术应用提供了有价值的方法和经验。

光纤传感器 （FOS）技术的研究已经有40a的历史。与之前的电传感器相比，光纤传感器具有一系列优点，这些优点正在改变现有产品的制作方式，并为许多新系统的出现创造了机会。重量轻、尺寸小、抗高温和抗电磁场干扰等优点使光纤传感技术在工业领域，尤其是在光纤智能结构中具有广阔的应用前景。基于这一原因，近年来分布式和多路复用光纤传感引起了人们广泛的研究兴趣，发展了多种方法来实现全光纤传感系统。目前已经有多种成功用于智能结构的光纤传感器案例，如光纤布拉格光栅传感器，基于布里渊散射的BOTDR系统等。本研究主要集中在测量分区以及区域内平均尺度较长的白光干涉光纤传感技术，因为在众多的建筑结构监测应用中，必须采用大尺度传感器才能实现区域测量目标。基于大型建筑结构的要求，进一步发展白光干涉光纤传感技术，如大尺度光纤传感器的设计及其复用技术、提高光纤传感器多路复用能力的方法和传感器的联网技术，对于实际应用具有非常重要的意义。

除了具备光纤传感器所共有的优点，白光干涉技术还可以进行绝对形变的测量，这对以高相干度激光为光源的传统光纤干涉仪来说是无法实现的。光纤白光干涉仪的另一个优点是不需要使用相对复杂的时域或频域复用技术，就可以在空间相干域将多个传感器的信号复用到一路光信号中。另外，由于白光光纤干涉传感系统的传感器部分仅由一段标准光纤构成，因此传感器的结构简单、成本低、易于制作和安装，并且传感器的长度选择具有很大的灵活性，可以短至几厘米，也可以长至数十米甚至数百米。以上这些特性使白光光纤传感系统对使用者具有显著的吸引力。

1 智能结构的概念

20世纪末多学科的交叉应用使工程设计理念发生了革命性的改变，并赋予无生命的结构以智能的特性。材料和结构工程、传感系统、执行和控制系统以及神经网络等多个学科的相互融合产生了多种多样的结构［1］，其重要性见图1。这一新技术的应用可以使某一结构能够感知、响应外界的环境，并根据环境的变化自动调节自身的状态。这一转向工程学科的范例意义深远，使得我们得以看到未来这一技术的影响。

图1 材料与结构、传感系统、执行与控制系统和自适应学习神经网络等4个学科相互交叉形成的结构特性 ［Measures，1992］Fig．1 Structure possibilities created by the confluence of four disciplines：materials and structures，sensing system，actuator control systems，and adaptive learning neural network［Measures，1992］

“智能”这一术语已广泛用于我们日常用语之中［2］，而自诊断是智能结构发展的第一步。当一个结构产生故障或受到损坏时，如果自身不能感知，那么就很难称之为 “智能”。在实现结构自诊断功能的众多方法中，将光纤传感器集成到结构中是最有发展前景的方法之一，通常称之为 “结构集成”。所谓 “结构集成”，就是将传感器固定在结构表面或埋入结构内部，并将传感器看作整个结构的一部分，从而使结构具有内置的传感特性。这种传感系统能够连续监测主结构的状态并对施加在主结构上的载荷 （热载荷和机械载荷）作出响应，因此在许多工业领域能够提高其安全性能和经济效益。

Measures在1989年对 “智能结构”进行了阐述［3］，提出 “被动控制式智能结构”是指在结构中集成了光纤传感系统以检测结构的状态；而 “主动控制式智能结构”除了包含结构集成的光纤传感系统，还有执行系统；1990年Wada等人提出将仅包含传感元件的结构称为 “感知结构”更合适［4］。本文中，将下面3类统称为智能结构：①结构集成的传感系统；②结构集成的传感和执行系统，执行控制系统使用感知信息来改变结构状态；③结构集成的传感和执行系统，并能够从经验中学习的结构。

本文所提及的传感系统主要是指基于光纤技术的传感系统。

2 光纤传感器在智能结构中的应用

由于受研究人员的偏见和知识局限性的影响，对任何新产生的学科进行准确地描述都不是一件容易的事。然而，总会存在一些人们普遍认可的用于表征事物发展经过的里程碑事件。1978年Butter and Hocker［5］证明了光纤干涉法测量机械载荷对结构产生的应变，可以看作光纤结构传感领域最早的里程碑之一；Varnham等人［6］介绍的基于偏振的光纤应变仪也很重要，此传感器说明了如何隔离传感区域与利用不敏感光纤连接导线构成局部传感器；Corke等人［7］使用相同的原理制作了局域光纤温度传感器；Valis等人［8］指出 “应变张量”的测量对于唯一确定结构应变状态的重要性，并研制了第一个实用的光纤应变花 （strain rosette）［9］，同时也证明了为什么光纤结构传感器比传统的应变计更适合在材料中集成；Lee和Taylor提出在光纤端面镀上一层TiO2，然后把这段光纤与另一段光纤熔接在一起，从而在光纤内形成反射镜的可行性［10］。他们利用这一方法在光纤内制作了两个反射镜，形成了第一个内腔式光纤法布里－珀罗干涉仪。这一装置表明光纤应变计具有尺寸小，灵敏度高，输入光纤不灵敏的特点；与此同时，Murphy等人于1991年介绍了外腔式光纤法布里－珀罗干涉仪［11］。

1978年Hill等人在光纤智能结构领域取得了突破性进展［12］，他们发现了利用紫外线照射在光纤芯内刻写布拉格光栅的方法；Meltz将这一发明转化成了实用器件［13］，并指出了用波长为248nm的紫外线对GeO2掺杂光纤的一段进行横向全息照射可制成外芯布拉格光栅的可能性；Morey指出这样的光纤布拉格光栅可以使光应力计具有较高灵敏度而光纤连接导线并不灵敏［14］。这种类型的传感器的很多性能优于法布里－珀罗传感器，例如传感器尺度的多样性和生产的自动化即在制作光纤的过程中用强紫外线闪光照射即可完成光栅的制作［15－18］。横向 全息光栅写入方法已基本被成本更低的相位掩膜技术 （phase mask technique）取代［19］。1992年，Measures等人开发了一种简易的被动读取光纤光栅的方法［20］。目前，越来越多的光纤布拉格光栅问讯系统已被世界上许多公司商用化。

Sirkis和Haslach首先认识到在将光信号解释成基体材料的应力之前，应对一些主要问题进行论述，无论此光信号是来自法布里－珀罗干涉仪的相位变化还是布拉格光栅传感器的波长变化［21］。

任何重视结构统一性的复合材料用户都将受益于简单的内置光纤损伤测试系统。嵌入光纤的断裂是一种最简易的损伤评价技术。最初为实现这一概念的尝试而构建的系统只能检测重度损伤［22－23］。Measures等设计了一种特殊的刻蚀处理方法，这种方法使光纤的损伤灵敏度可调整到几乎肉眼看不出的冲击损伤［24］。嵌入到飞行器机翼前缘的刚体成功展示了这种光纤能够检测冲击引起的断层区域的能力［25－26］。

光纤结构传感器的多路复用串行和并行阵列及分布式应力测量代表了当前光纤结构传感的发展及应用领域的焦点。一些课题组包括美国海军研究实验 室 （the U．S． Naval Research Laboratory）［27－28］，肯特大学 （University of Kent）［29］，南安普顿大学 （University of Southampton）［30－32］和多伦多大学 （University of Toronto）［33］已经在这一领域取得了重大成就。

专题会议的出现是确认新研究领域蓬勃发展的晴雨表。1988年SPIE在波士顿首次主办的光纤智能结构和皮肤会议也可归类为光纤结构传感领域［34］。美国于1991年11月组织的有关活性材料和自适应结构的研讨会是第一个涵盖了智能自适应结构各个领域的国际会议。但早在1990年，在夏威夷的檀香山 （Honolulu）就举办了美日智能材料和系统的专题研讨会［35］。

专门学术杂志的创办也是对一个新领域认可的更清晰的标志。1990年Technomic Publishing，Inc出版社Craig Rogers主编出版了 《智能材料系统和结构》；1992年英国物理学会 （the Institute of Physics）的 Richard O．Claus，Gareth J．Knowles，和Vijay K．Varadan主编了 《智能材料与结构》。

这一领域的第一个主题为用于智能复合材料（OSTIC）的光传感技术的欧洲计划于1988年作为BRITE－EURAM项目发起的［36］。这一计划旨在复合材料中演示动态应力测量以及利用单根传感光纤同时检测应力和温度。前一目标由开发了相干多路复用偏振计传感器的Bertin et Cie负责［37］。斯特拉思克莱德大学 （University of Strathclyde）主要承担了后一研究目标的工作［36］。

1992年12月首次发起了用于建筑物结构健康监测的光纤传感系统的BRITE－EURAM II计划，其中包括来自5个国家的8个研究机构和5个工业实体［38］。这个3a计划的目标是要演示民用和军用工程的传感器。然而在民用工程中考虑了高度加压的基体，例如斜拉索、悬吊缆、绷绳地锚和预应力筋用锚具。

1993年首次在一座新建的公路桥的预浇筑混凝土桥梁中埋入了光纤结构传感器阵，这是光纤结构健康监测的一个重大里程碑［39］。加拿大南部的卡尔加里 （Calgary）的Beddington Trail Bridge首次在桥梁中使用了碳化纤维，进一步提高了此进展的重要性［40］。在600d中对各传感器进行不定期监测以跟踪碳化纤维和钢筋所经受的应力消除。

第一座所谓的 “智能桥梁”为革新结构智能传感核心网的形成开创了先例。这个重大的加拿大新方案是为了发展并将复合材料与光纤结构传感应用到建筑工业中而确立的。这项工作最初是基于如图2所示的5个主旨展开的。为规划一持续性的5a研究计划，在美国国家科学基金会 （the U．S．National Science Foundation），州立高速公路管理局和新泽西交通部 （the New Jersey Department of Transportation）的资助下，召开了一个国际性研讨会。这个5a计划的目标是实现光纤传感技术在建筑材料和桥梁中的应用［41］。

在易震区急需改善建筑物结构设计以提高抗破坏性地震的能力和开发可减轻地震影响的技术。为便于最新信息的流通和传播包括全面测试和新技术演示，美国国家科学基金会 （the U．S．National Science Foundation）专门成立了结构控制研究小组［42］。

图2 智能桥梁的五大主题Fig．2 Five themes of smart bridge

过去20a光纤结构传感领域经历了从相当粗糙的实验室实验研究到可与传统技术相抗衡的商业化监测系统的重大转变。然而使这项技术方兴未艾的是新型测量而不是传统结构健康监测技术的实用化，例如大尺度、串行复用和真正意义上的分布测量系统等。与此监测技术发展相媲美的是挑战钢材在建筑工业领域和铝制品在航空航天领域应用的先进合成材料的出现，各种各样新技术的结合将引领多功能智能材料新时代的前沿。

3 结构健康监测的需求

为什么建筑物需要监测系统呢？Aktan等给出了两个原因说明了为何要将结构健康监测系统嵌入桥梁中［43］：①我们需要了解桥梁的实际承载环境和相应的桥梁响应。目前在我们对桥梁的实际承载尤其是极限承载的理解和桥梁所经历的承载之间存在重大差距，对于桥梁的寿命和老化的理解这一差距变得更为显著；②结构健康监测系统可决定这种自动采集的信息能否减少目测的需求从而提供一个趋于破损的客观指标。

为什么要用光纤传感技术进行结构健康监测呢？这是很多正面对新技术的工程师们提出的很有道理的问题，这里我们需要做一些论述。光纤传感器可以进行一些对于传统测量技术来说不实际或不经济的测量，例如金属箔式应变计。光纤传感器在很多方面优于基于电的传感器比如尺寸小，重量轻，对应变和温度变化敏感，抗腐蚀，抗疲劳，广带宽等。光纤具有绝缘性可与FRP复合材料或混凝土兼容；操作安全；不易起火或爆炸，不受电磁波干扰，不影响基体结构中的电路。

无需任何措施防止闪电及各种各样的电磁波的特性使光纤传感器成为监测大型民用建筑和空间飞行器的首选。对于布线于大型建筑中的电传感系统，即使没有直接的闪电，猛烈的暴风雨中的磁场耦合也能产生巨大的电压。这样的电压很有可能会烧毁电子系统中的各种元器件以及导致电路老化。

光纤进行传感和传导光信号的双重角色使得光纤传感器的结构要比传统的传感器简单得多，特别是在需要传感阵列的情况下，由于每个传感阵列包含了很多传感器，这种优势尤为明显。

用于结构健康监测的光纤传感器主要有以下几方面的应用：

1）危旧建筑物的检测和修复监测。大型民用设施如桥梁、隧道、公路、铁路、大坝、海港和机场都融入了巨大的经济投入，近来这些投资已经遇到了很多问题，也将经受很多根本性的变化。19世纪50～60年代兴起的建筑大潮留下了大量的桥梁、公路和其他混凝土建筑，这些建筑都亟需修复或重建。作为实例，图3给出了台湾南部的一座大桥于2000年5月倒塌时的景象。在这场事故中16辆汽车和1辆摩托车遇难，22人受伤。如果之前对这座大桥进行结构监测的话，或许能够避免这场重大事故的发生。通常通过辨别建筑物的异常振动方式和频率，或不规则的应变分布，监测其静态和动态响应可以获知结构健康状况。

图3 台湾大桥倒塌时的图片Fig．3 Photograph of Taiwan bridge collapses

为修复和加固既存的混凝土结构不得不翻新钢和混凝土，而采用纤维增强聚合物 （FRP）板材和包裹材料是一种很有前景的选择。如图4和图5所示 “智能”纤维增强聚合物 （FRP）修复和加固部件的发展也将促使结构加固和光纤监测系统的产生。

在地震、爆炸或撞击后，可应用这些技术对建筑物进行结构整体性评价以及确定所受损害的程度。当超载的卡车驶过桥梁，需要对桥梁的响应进行监测时，这种技术也可找到用武之地。由于交通事故或修复桥梁公路不得不绕行时，这样的事情经常发生。

2）新材料的使用和创新的结构设计。出于对新建筑设计上的考虑，目前的经济思潮引发了从“建设成本”到 “寿命成本的转变”。这种形式的变迁带动了创新的设计和非传统材料的使用。例如：纤维增强聚合物 （FRP）材料的应用已走向更富有想象力的结构的最前沿，这些结构具有非常优越的性能，如需要很少的维护和低寿命成本等［44］。纤维增强聚合物材料在以下方面优于钢材：①高强度重量比；②高硬度重量比；③较强的抗腐蚀性，如盐水；④可适应复杂的形状；⑤碳和芳族聚酰胺FRP具有优良的抗疲劳特性；⑥免受电磁波干扰；⑦低热膨胀轴向系数 （特别是CERP）。

然而纤维增强聚合物材料也有其缺点：①高成本；②低弹性系数；③低破坏应变和很多破坏模式；④高轴向侧向强度比；⑤长期强度低于短期强度；⑥易受紫外线损伤。

FRP中3种主要的纤维为碳、芳族聚酰胺和玻璃。纤维的支撑基体通常是一些形式的热硬化环氧树脂。

显然，与传统材料相比，这些新材料可在更加广泛的范围内满足性能要求。然而这些材料也面临着下降趋势，例如很难将它们融入那些在破坏发生时可提供诉讼保护的设计章程中。随着经验的积累，为反映这些材料的应用，不久很有可能对设计章程进行修改。将这些具有创新性的结构与内嵌式光纤结构健康监测传感器结合起来，可弄清这些新材料的运行状况，有助于减少隐患，促进FRP在建筑工业中的广泛应用。

显然很多重要的因素都促使光纤结构健康传感在今后10a的建筑工业中成为至关重要的新技术。有迹象表明，FRP材料将取代混凝土内嵌入的钢材，这种材料在修复和加固混凝土建筑中应用也将快速增长［45－46］。

3）健康状况监测和无损伤评价。有时一些事故本身不会导致伤亡但会削弱建筑物的强度，从而引发更加严重的事故。如果在这些建筑物的适当位置嵌入某种形式的健康监测系统，就很有可能避免这些严重事故的发生。

令人满意的结构健康监测系统应该能够区分识别危急状况，调整扫描频率和动态范围，对一些应该保存的数据和可忽略的数据进行初步评价。同时可将那些被视为相关的信息如响应强度和形变模式转化成视觉图形，这样工程师们即可很快做出评定。

持续不断的结构健康监测可提高建筑物的安全系数。通常的条件监测都是通过建筑物内的传感器集成器件进行的。最好的例子就是光纤智能螺栓。光纤的外径小 （通常＜250μm）便于螺栓或其他元器件以一种不影响整体性和器件强度的方式埋入。这意味着埋入的器件可以作为建筑物的一个固定部分进行测试，这是任何传感应变计不可比拟的。图6给出的示例为一嵌有光纤传感器的螺栓。

图6 嵌有光纤应变计的螺栓Fig．6 Fiber optic strain sensor instrumented bolt

光纤传感器也可设计成感应热和力学信息的传感器。此外，理论上光纤同时作为传感部件和感应信息传导通道的独一无二的特性可使其获得长度方向上任意一点的应变和温度信息。此特性使一根光纤可对主要的高危电力传输线进行预警［47］，也可探测出由于来自地面某点不可承受的移动而引起的输油管道上的过应力。一单根贯穿于一座建筑物或建筑物群的光纤束也可以对过热点的进展进行报警并提供该过热点的位置信息。这项技术可在足够早的阶段获知着火点，从而减少物资损害和人员伤亡。

一般而言，很多不同的领域可从以下3个方面受益于集成结构健康监测：

1）改善的性能；

2）降低的成本；

3）提高的安全性。

实际上，可以预见4类测量技术将成为新的监测技术：①结构健康监测和损害评价；②实验应力分析；③周界安全的监测与预警；④系统的设备运行状态报告和管理控制。

第一类应用包括对各种混凝土结构的倾斜和弯曲进行测量，如横梁、柱、拱和平板。在现场试验应力分析中可对一些很难建模的复杂结构进行应力场的测量。通过对实际的应力场及倾斜与计算模型预测的结果进行比较，可决定更加准确的设计系数，从而使建筑物更加安全和经济；在第二类应用中，由于很难对复杂结构的应变场建立准确的模型，因此在实验应力分析领域，可以利用光纤白光干涉传感技术测量复杂结构的应变场，然后通过比较应变场和挠度的实际测量值及模型计算值确定更精确的设计参数，进而提高结构的安全性并降低建造成本；光纤白光干涉传感技术特别适合的第三类应用领域是目前市场需求日益凸显的周界安全的监护与预警。如：国境边界线的入侵防护；围栏的悬挂式防卫；高速公路两侧以及飞机场周界的防护；核电站等重要区域的周边防护警戒；第四类应用包括桥梁上的交通流量或机场跑道使用次数的测量。这种监测系统可确定由桥上的大型或高速卡车或机场的着陆引起的频率和过载段的过载度。这些信息有助于评价由于这些事故引起的冲击从而确定是否需要对建筑物进行修复和维护。

光纤结构健康监测在以下方面很有优势：①评价承载历史；②估计性能损害影响；③评估修复和维护的有效性；④检验相对设计预测的性能；⑤报警异常状况和行为。

4 光纤白光干涉仪发展的简要回顾

白光干涉测量 （有时称为低相干测量方法）在经典光学中已有详尽阐述［48］。它使用低相干、宽谱光源，例如半导体激光器 （LD）或发光二极管（LED）作为光源。所以这种传感方法通常被称为“白光”干涉测量方法。同所有的干涉原理一样，光程的改变可以通过观测干涉条纹来进行分析。

尽管早在1975年就提出了相干原理［50］，并于1976年在光纤通信领域中实现了可能的传输方案［51］，但其在光纤传感技术中的应用却首次报道于1983年［49］。第一个完整的基于白光干涉技术的位移传感系统是在1984年报道的［52］。此成果显示出白光干涉测量技术可以应用于任何可以转换成绝对位移的物理量的测量，并且具有很高的测量精度。1985～1989年，基于白光干涉原理的传感器被广泛应用于压力［53－55］、温度［56－59］和应变［60－61］测量的研究中。与此同时，根据白光干涉光学原理，发展了一种被称为光学低相干反射测量 （OLCROptical low－coherence reflectometry）的技术，该技术用于测量光学波导装置尺寸和小型光学元件中的缺陷评估中，其典型的分辨率在数十个微米［62－64］。OLCR技术的快速、精确及无损伤测量等一系列优势，使得该技术成为一个十分活跃的研究领域。通过一系列研究和技术改进，例如发展了光强度噪声衰减技术［65］，扫描范围扩展延迟技术［66］和测量范围扩展技术［67］。

利用低相干技术的光纤传感器，其最基本的结构见图7。相对于传感干涉仪，串接的第二个问讯干涉仪对于获得干涉条纹的信息来说是必需的。这个串接的结构将取决于处理干涉信号的方法，选用分光计还是第二干涉仪的结构，要取决于频谱分析还是相位分析。

图7 基于白光干涉式光纤传感器的基本构成Fig．7 Basic optical fiber sensor configuration using white light interferometry

自1990年以来，光纤白光测量技术已持续发展，并逐渐形成了一个研究方向，众多研究者指明了这项技术的优点。白光干涉测量技术为绝对测量提供了更多的解决方案，而这些都是采用高性能相干光源的传统光纤干涉仪所无法解决的。近10余年来，在信号处理、传感器设计、传感器研制、传感器多路复用等方面，白光干涉测量技术得到了较大发展。在信号处理方面，一些新方案的提出，提高了光纤白光干涉仪的性能。发展了高速机械扫描法技术，扫描速度从21m／s逐步提高到了176m／s［68－70］。电子扫描技术相对于机械扫描方法的优点是更紧凑、精密与快捷，并且避免了使用任何移动装置［71－75］。光源合成方法是对光纤传感器信号处理的一大改进，显著提高了识别并确定干涉传递函数中心条纹位置的能力［76－77］。在此之后，其他研究人员的工作，又进一步发展了这项技术［78－79］。另一种改进对中心条纹识别精度的方法是使用多阶平方（multi－stage－squaring）信号处理方案［80］。

光纤白光干涉仪的另外一个优点就是可以很容易地实现多路复用。多个传感器在各自的相干长度内，只存在单一的光干涉信号，因而勿需更复杂的时间或者频率复用技术对信号进行处理。20世纪最后10a的研究工作，主要集中在发展多路复用传感器结构，以增加应用领域对传感器数量与容量的需求。这些典型的白光干涉多路复用方案使用了分立的参考干涉仪，并进行时间延时，以匹配遥测传感干涉仪。传感干涉仪是完全无源的，而且用于解调的复用干涉信号对光纤连接导线中的任何相位或长度改变不敏感。在分布式传感器［81］概念的基础上，为了构成准分布式光纤白光干涉测量系统，研究者进行了许多探索和尝试。Gusmeroli等人发展了低相干多路复用准分布单线路偏振传感系统，用于结构监测［82］；Lecot所报道的实验系统中包含＞100个多路复用的温度传感器，用于核电站交流发电机定子发热量的监测［83］；饶云江和Jackson所建立的通用系统是基于空间多路复用，最大可以连接32个传感器［84］；Sorin和Baney提出了一种新型的基于Michelson干涉仪和自相关器的干涉多路复用传感阵列方案［85］；由Inaudi等人建立了一种并行多路复用方案［86］；此外，基于简单的光纤Michelson干涉仪，分别使用光纤开关和1×N星型耦合器的串行和并行多路复用技术分别报道于文献 ［87－88］。近来，文献 ［89］又提出了一种光纤环型谐振腔方案。使用环型谐振腔的目的是取代文献 ［87］中价格昂贵的光纤开关，它的优点是大大降低了多路复用传感阵列的复杂性和成本。

随着光纤白光干涉传感技术的不断发展，该技术日趋完善，同时也发展了越来越多的应用。Inaudi等人发展了低相干大尺度光纤结构传感器，在瑞士工业建筑业中被广泛使用［90］，获得了几个微应变的分辨率，其测量范围超过几千个微应变。通过采用与通道截取光谱法相似的信号处理方法，绝对外部应力传感系统展示了＜100με的轴向应变分辨率［91］。文献 ［92－94］报道了基于白光干涉技术的光纤引伸计用于监测混凝土试样内部的温度和测量一维、二维应变。可以预期，这种基于白光干涉技术的绝对应变传感器将在智能结构和材料中起到越来越重要的作用［95］。

与国外开展的光纤白光干涉技术研究相比，国内开始于稍晚的1992年［96］。早期研究集中在光纤白光干涉仪构建和白光干涉原理在器件测量的应用方面，如：上海大学的张靖华等人分别开展了利用白光干涉原理实现保偏光纤测量与连接对轴，以及光源功率谱对白光干涉测量的影响的研究［97］；华中科技大学王奇等人［98］于1993年报道了一种用多模光纤连接的双F－P干涉仪传感系统，可用于温度和压力的测量；清华大学李雪松与中国计量科学院李天初等人［99］于1996年合作报道了一种白光干涉型Michelson光纤扫描干涉仪，可在150μm的测量范围内，实现测量不确定度为1．5μm；浙江大学周柯江等人［100－101］于1997年报道了利用白光干涉技术用于偏振模式分布的测量；上海交通大学张美敦等人报道了光纤干涉仪的臂长差和基于白光光纤干涉仪的折射率测量方法［102］。

近年来，在传感与测量研究方面，国内的研究人员广泛地关注将白光干涉原理与光纤技术相结合的研究，发展了多种新型结构的光纤白光干涉仪、白光干涉信号解调方法、白光光纤传感器以及应用，实现各种物理量诸如位移［104］、温度与应变［105］、压力［106］、折射率等的测量传感器及其应用的研究。上述研究主要集中在高等院校中，例如：天津大学的张以谟等人开展了数字化白光干涉扫描仪［107］及其信号处理［108］和包络提取［109］、保偏光纤分布式传感［110－111］、基于白光干涉原理的光学相干层析技术［112－113］等诸多方面的研究；重庆大学饶云江［114－115］和大连理工大学于清旭［116－117］等 人 分别发展了基于非本征Fabry－Perot腔的光纤白光传感器及其智能结构的应用；北京理工大学江毅等人发展的傅立叶变换波长扫描的白光光纤Fabry－Perot传感器及其信号解调方法［118－120］；电子科技大学周晓军［121－122］等人发展的基于白光干涉原理和保偏光纤的分布式传感器。哈尔滨工程大学则专注于光纤白光干涉传感技术的研究，发展了光纤白光干涉的理论分析方法，构造了多种新型结构的白光光纤干涉仪［123］，拓展了准分布线阵、矩阵和环形网络光纤传感器网络拓扑结构［124－125］，并发展了一系列对于混凝土内部进行应力应变测量的方法［126－127］。

5 用于结构健康监测的白光干涉式光纤传感器的优点

光纤智能结构是指结构中集成了光纤传感器的遥测系统。这种系统是通过光纤传感器实现 “应变”监测的。在需要时，也可以进行 “温度”的测量。光纤传感器通常与结构兼容，嵌于结构内部，以便进行监测，有时也将传感器粘附于结构表面。

当长度为L的结构部件受到拉伸或者压缩应力作用时，它的形状在载荷的方向上延展或收缩一个长度±ΔL，这里 （＋）表示伸长、（－）表示缩短。我们定义这个构件的应变为：

因此，这个部件中的应变状态是拉伸还是压缩，完全取决于局域载荷状态。几乎所有的应变传感器实际上都是一个标度较短的形变传感器。对于各向异性的非均匀材料，例如混凝土，纤维增强聚合物 （FRP）等，若基于各向异向性进行测量，微观应变场将发生很大变化。对于这些材料，传感器的标度至少应为材料颗粒的10倍以上。如果需要得到宏观信息，在混凝土中的标度至少应为100 mm。标度短的应变传感器适合于用于检测材料局域应变状态，并且应该放置在结构预期的高应变临界点处。而对于大型结构，例如悬拉桥，需要空间的稳定性，形变测量非常重要，并且要求传感器的标度应该在米的量级或更大。这里，结构失效临界点与局域状态相比要重要的多，所以局域应变测量就显得不十分重要。例如大地的运动导致的桥梁中部发生的塌陷，对于立交桥而言，当车辆经过时，将降低驾驶员与乘客的舒适程度。这个形变可以通过降低桥梁应变来改进结构安全性［86］。

在上述情况下，由于白光干涉光纤应变感应器具有传感器长度灵活可变、柔韧性好和结构简单等特点，对于形变测量特别适合。图8给出了一种典型的白光光纤应变传感器，它由一段标准的单模光纤组成。L作为传感器的标度，应变测量是通过直接测量这段光纤的伸长量ΔL实现的。

白光光纤传感器的主要优点如下：①尺度小；②几何形状可变；③安全；④高灵敏度；⑤抗电磁场干扰；⑥与材料和结构兼容；⑦制作安装方便；⑧结构简单，成本低廉；⑨易于多路复用；⑩传感器长度可变，最短为厘米级，最长可达数十米。

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