苑立波

（1.哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院 光子科學(xué)與技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001；2.黑龍江省光纖傳感科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

0 引 言

無(wú)論在建筑結(jié)構(gòu)施工期還是在它的使用過(guò)程中，發(fā)展用于混凝土工程結(jié)構(gòu)的在線健康監(jiān)測(cè)光纖傳感器都是一個(gè)持續(xù)性的目標(biāo)。大多數(shù)研究工作主要集中在研究埋入建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳感器方案。在文獻(xiàn)中經(jīng)常能夠見(jiàn)到對(duì)埋入式傳感器性能的詳細(xì)介紹，但是卻很少有文獻(xiàn)介紹獲得埋入式光纖傳感器的實(shí)際方法[1]。基于以上原因，我們研制用于混凝土建筑結(jié)構(gòu)中的實(shí)用的預(yù)埋基光纖傳感器。預(yù)埋基傳感器的性能取決于基體材料與光纖之間的粘接特性[2]。通常，基體的應(yīng)變是通過(guò)預(yù)埋基耦合到光纖傳感器中的，預(yù)埋基是任何功能型結(jié)構(gòu)傳感器的重要組成部分。一般在光纖與預(yù)埋基結(jié)構(gòu)之間有一層保護(hù)層，該保護(hù)層會(huì)對(duì)傳感器的使用壽命和性能產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)影響應(yīng)變?cè)诒粶y(cè)結(jié)構(gòu)與光纖之間的耦合。因此，必需對(duì)預(yù)埋基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光纖傳感頭的制作以及光纖傳感器的安裝與集成的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行充分考慮。

本文包括用于混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)埋金屬基、環(huán)氧基和混凝土基白光干涉光纖傳感器。其中金屬基和環(huán)氧基傳感器的形狀設(shè)計(jì)為紡錘形，而混凝土基傳感器設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單的圓柱形或長(zhǎng)方體。

1 預(yù)埋金屬基封裝結(jié)構(gòu)傳感器

1.1 金屬封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常，預(yù)埋基（PEB）光纖傳感器的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)的要求。第二個(gè)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種可用于PEB傳感器的進(jìn)／出接口，并設(shè)計(jì)接口的保護(hù)裝置以減小接合處光纜受到的意外損壞。此外，還要考慮如何設(shè)計(jì)PEB的形狀才能使基體所受應(yīng)變有效地傳遞給光纖傳感器。

圖1為一種特殊設(shè)計(jì)的鋼管，利用這種鋼管可以方便地對(duì)光纖白光干涉應(yīng)變傳感器進(jìn)行封裝。預(yù)埋金屬基光纖傳感器主要由材質(zhì)均勻的鋼管構(gòu)成，鋼管的兩端做成圖1所示的形狀，便于預(yù)埋棒的安裝和固定。鋼管的內(nèi)徑為1～2mm，對(duì)應(yīng)變響應(yīng)的有效長(zhǎng)度既可短至幾厘米，也可長(zhǎng)至幾米。剛性傳感器與相對(duì)較軟的輸入／輸出光纜的連接部分用應(yīng)變釋放橡膠錐加以保護(hù)。

1.2 用于形變測(cè)量的光纖制備

PEB傳感器中用于形變測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖見(jiàn)圖2。光纖的一端用切割刀切好后鍍上一層鋁膜，目的是在1310nm或1550nm波長(zhǎng)處形成反射率為87%～91%的反射鏡；光纖的另一端插入陶瓷插芯固定后，對(duì)光纖端面進(jìn)行研磨拋光，然后鍍制金屬反射膜，使其反射率達(dá)到25%～32%。然后將兩端處理好的傳感光纖插入鋼管，插入過(guò)程中要注意對(duì)光纖端面加以保護(hù)。穿過(guò)鋼管后，對(duì)光纖的高反射率端用較軟的粘合劑進(jìn)行保護(hù)，而低反射率端通過(guò)陶瓷插芯與輸入／輸出光纖相連（圖3）。在均勻鋼管中的光纖長(zhǎng)度（有效作用長(zhǎng)度）要小于總的光纖長(zhǎng)度，見(jiàn)圖2。

圖1 預(yù)埋金屬基光纖白光干涉應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)的剖面圖Fig.1 Cross-section of pre-embedded fiber optic white light interferometric strain steel bar sensor

圖2 光纖形變計(jì)的剖面圖Fig.2 Cross-section of bare fiber deformation gauge

1.3 傳感器集成

PEB傳感器的集成過(guò)程如下：

1）用丙酮或乙醇清洗設(shè)計(jì)好的鋼管的中心孔，然后將光纖形變計(jì)插入該中心孔；

2）從中心孔的一側(cè)注入環(huán)氧樹(shù)脂，并使其從中心孔的另一側(cè)流出，確保中心孔中沒(méi)有殘余氣泡。24h后環(huán)氧樹(shù)脂固化，光纖形變計(jì)便與鋼管粘結(jié)在一起；

3）鋼管與外部傳輸光纜的連接。在實(shí)際應(yīng)用中，需要利用外部光纖將光信號(hào)輸入鋼管中的傳感光纖并將傳感光纖中的光信號(hào)輸出。當(dāng)傳輸光纖和傳感光纖的纖芯精確對(duì)準(zhǔn)時(shí)，光信號(hào)便可以從一根光纖注入到另一根光纖中，見(jiàn)圖3。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，分別用兩個(gè)相同的商用陶瓷插芯將傳輸光纖的一端和傳感光纖的低反射率端固定，然后將兩個(gè)插芯插入陶瓷套管，從而保證兩根光纖纖芯的對(duì)準(zhǔn)精度。最后，用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)固定好的陶瓷插芯和陶瓷套管進(jìn)行封裝。

圖3 預(yù)埋金屬基封裝結(jié)構(gòu)傳感器的輸入／輸出連接結(jié)構(gòu)Fig.3 Ingress／Egress connection structure of pre-embedded steel bar sensor

4）如圖3所示，在封裝好的陶瓷套管外面安裝一個(gè)錐形減壓橡膠護(hù)套，用來(lái)保護(hù)光纖光纜與鋼管連接處的光纖，避免劇烈彎曲對(duì)光纖產(chǎn)生的破壞。

制作好的預(yù)埋金屬基封裝結(jié)構(gòu)光纖傳感器的圖片見(jiàn)圖4。對(duì)于惡劣的混凝土建筑環(huán)境，該預(yù)埋金屬基傳感器的強(qiáng)度足以滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。

圖4 預(yù)埋金屬基封裝結(jié)構(gòu)光纖傳感器的圖片F(xiàn)ig.4 Photograph of pre-embedded steel bar fiber optic sensor

2 預(yù)埋環(huán)氧基封裝結(jié)構(gòu)傳感器

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

將預(yù)埋環(huán)氧基封裝結(jié)構(gòu)傳感器（PEEB）設(shè)計(jì)為圓柱體形狀，整個(gè)柱體兩端的直徑略大，具體形狀見(jiàn)圖5。這種結(jié)構(gòu)使基體材料與PEEB傳感器之間具有良好的機(jī)械結(jié)合性。PEEB白光干涉光纖傳感器的典型尺寸為：直徑3～5mm，長(zhǎng)度80～100 mm。PEEB傳感器與環(huán)氧基之間的直接作用長(zhǎng)度為L(zhǎng)，稱(chēng)為有效作用標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度，或有效應(yīng)變標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度，見(jiàn)圖5。

圖5 預(yù)埋環(huán)氧基封裝結(jié)構(gòu)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Design of fiber optic pre-embedded epoxy bar sensor

2.2 硅橡膠模型的制備

為了制作上述設(shè)計(jì)的PEEB傳感器，首先需要制作如圖6所示與環(huán)氧基尺寸相同的鋁棒，用來(lái)制作作為硅橡膠模具腔。硅橡膠模具腔的制作過(guò)程如下：

圖6 制作環(huán)氧基傳感器模具腔的鋁棒Fig.6 An aluminum bar has been manufactured for making of the epoxy bar sensor mould

1）將硅橡膠混合劑（硅樹(shù)脂）與硬化劑按照100∶23的重量比進(jìn)行混合。將金屬模芯放在一個(gè)長(zhǎng)模具殼體的中心，然后向殼體中注入液態(tài)硅橡膠混合劑，直至將金屬模芯完全埋沒(méi)；

2）放置約1h，待硅橡膠混合物完全固化后，用切割刀將硅橡膠對(duì)稱(chēng)地從中間切開(kāi)；

3）取出金屬模芯，得到由硅橡膠形成的模具腔，見(jiàn)圖7。

圖7 用硅橡膠制成的環(huán)氧基封裝結(jié)構(gòu)傳感器的模具Fig.7 Manufacture a PEEB sensor mould by silicon rubber

2.3 預(yù)埋環(huán)氧基傳感器的制備

通常PEEB傳感器中的形變計(jì)為一段裸光纖，見(jiàn)圖2和圖5。光纖形變計(jì)的一端為自由端，另一端作為傳感器的信號(hào)輸出端與外部的傳輸光纖相連。將裸光纖形變計(jì)埋入環(huán)氧基之前，先在模具的上下兩側(cè)分別制作進(jìn)料口和出料口用于環(huán)氧樹(shù)脂的注入和流出。然后，在其中半個(gè)硅橡膠模具的兩端分別開(kāi)一個(gè)槽，用于安放裸光纖形變計(jì)。將裸光纖形變計(jì)放入模具腔后，利用棉線將光纖形變計(jì)拉直，并將光纖的兩端固定在模具外側(cè)。將兩部分模具合起來(lái)后重新放入模具殼體中。準(zhǔn)備好液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂后放置5～10min，使其中的空氣泡充分釋放后將環(huán)氧樹(shù)脂注入硅橡膠模具腔中，直至環(huán)氧樹(shù)脂從模具的出料口流出。將整個(gè)充滿(mǎn)環(huán)氧樹(shù)脂溶液的模具放入真空泵之內(nèi)，抽出腔體內(nèi)的氣泡，然后放置24h使環(huán)氧樹(shù)脂固化。最后，小心地將模具的兩部分分開(kāi)，取出制備好的PEEB傳感器，見(jiàn)圖8。

圖8 PEEB光纖傳感器探頭Fig.8 PEEB fiber optic sensor heads

同樣，制備好的PEEB傳感器也需要與外部的傳輸光纖相連接，以實(shí)現(xiàn)傳感器中光信號(hào)的輸入與輸出。傳感光纖與傳輸光纖的連接與預(yù)埋金屬基封裝結(jié)構(gòu)傳感器的連接過(guò)程相似。這里，連接部分用一小段熱縮管來(lái)保護(hù)，連接好的傳感器見(jiàn)圖9。

圖9 帶尾纖的預(yù)埋環(huán)氧基封裝結(jié)構(gòu)傳感器Fig.9 Pigtailed pre-embedded epoxy bar sensor

3 預(yù)埋混凝土基傳感器

對(duì)于已建好的混凝土建筑結(jié)構(gòu)，可以將光纖傳感器直接粘附在混凝土表面。而對(duì)于在建的混凝土結(jié)構(gòu)，通常需要對(duì)光纖傳感器進(jìn)行一定的保護(hù)而不是直接將傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)中。

由于實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)非常容易對(duì)埋入其中的光纖造成損壞，因此需要發(fā)展光纖預(yù)埋混凝土基傳感器及其埋入方法。我們?cè)O(shè)計(jì)的預(yù)埋光纖混凝土基傳感器見(jiàn)圖10，它包括光纖傳感單元、輸入／輸出的連接部分和典型的基體形狀。

圖10 預(yù)埋混凝土基光纖傳感器Fig.10 Pre-embedded concrete bar fiber optic sensors

PECB傳感器的基本形狀為如圖10（a）所示的矩形或圓柱形。這種矩形或圓柱形的基體表面比較光滑，為了改善PECB傳感器與混凝土材料之間的穩(wěn)固性，可以將傳感器外形設(shè)計(jì)成如圖10（b）所示的瓦楞狀。矩形PECB傳感器的典型尺寸為：25.4mm×25.4mm×304.8mm；圓柱形 PECB傳感器的尺寸為：φ25.4mm×304.8mm。

與前面討論的其他兩種預(yù)埋式傳感器類(lèi)似，實(shí)際的PECB傳感器的輸入／輸出光纖與傳感光纖之間也是通過(guò)商用的陶瓷插芯連接在一起的。其連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11，兩個(gè)陶瓷插芯分別從兩側(cè)插入陶瓷套管內(nèi)，因此可以保證兩根光纖纖芯的對(duì)準(zhǔn)精度。調(diào)整好陶瓷插芯的位置后，在陶瓷插芯周?chē)可弦粚迎h(huán)氧樹(shù)脂，可以起到固定和防水的作用。最后，用一段應(yīng)力釋放錐形套管對(duì)連接部分加以保護(hù)。

圖11 PECB傳感器與輸入／輸出光纖之間的連接示意圖Fig.11 Ingress／Egress connection structure of PECB sensor

4 預(yù)埋土體傳感器

土石壩以其顯著的經(jīng)濟(jì)性和對(duì)地質(zhì)條件良好的適應(yīng)性，成為當(dāng)今世界建造數(shù)量最多的壩型，同時(shí)也是歷史最為悠久的壩型，在我國(guó)也是如此。截至目前，中國(guó)已建成土石壩約20000座，占世界土石壩總數(shù)的60%左右。但從整體來(lái)看，由于其結(jié)構(gòu)類(lèi)型多樣，材料的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，荷載的類(lèi)型、組合及其施加方式的多樣性和隨機(jī)性，使得安全監(jiān)控比混凝土壩更加復(fù)雜，造成土石壩監(jiān)測(cè)技術(shù)手段相對(duì)落后。而滑坡是另外一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害，常常造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。我國(guó)幅員遼闊，擁有陸疆國(guó)土邊境1.8×104km，國(guó)土邊境周界安全監(jiān)測(cè)需求日益緊迫。因此，將光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)引入土體形變的監(jiān)測(cè)具有非常重要的意義。

圖12所示的白光干涉?zhèn)鞲衅?，涂敷層是不可去除的，原因是裸光纖在外界環(huán)境（濕度和載荷）的作用下，會(huì)使表面微裂紋得到擴(kuò)展，承受應(yīng)力降低，在外界載荷的作用下而斷裂，導(dǎo)致壽命的大大降低。有時(shí)，在傳感器的外側(cè)，還要增加一些其他材料的包層結(jié)構(gòu)，目的是解決光纖與基體材料力學(xué)相容與耦連問(wèn)題。

由于光纖涂敷層不可去除，并且它是一種低模量的材料（與光纖相差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)），所以外加包層——緩沖層的模量數(shù)值大小的選擇至關(guān)重要。在此我們選擇模量介于光纖與包層之間的聚酯材料（楊氏模量1.2×109Pa），且聚酯材料的模量遠(yuǎn)大于涂敷層材料，并使傳感器的直徑r遠(yuǎn)小于傳感器長(zhǎng)度L（即滿(mǎn)足小半徑近似L＞＞r條件），外緩沖層的引入，在各個(gè)界面相互作用完全的條件下，僅改變了相關(guān)傳遞參量，并沒(méi)有改變圖12所示的力學(xué)傳遞性能[3]。

圖12 增加聚酯外包層的光纖形變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Fiber optic deformation sensor's construction with rubber layer

這表明，在圖12所示的白光干涉?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些外部外包層結(jié)構(gòu)是可行的。光纖形變傳感器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖13。圖中光纖形變傳感器由一段增加了聚酯外包層，并在兩端加裝了陶瓷插芯的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖構(gòu)成，L為光纖形變傳感器的標(biāo)度長(zhǎng)度。兩端采用了陶瓷插芯，并對(duì)其采用拋光工藝，保證了傳感器端面平整、光滑，菲涅爾反射信號(hào)達(dá)到一定的強(qiáng)度（至少應(yīng)為1%）。另外，陶瓷插芯還可以保證光纖傳感器與測(cè)試光纜（尾纖）的低損耗連接（典型的插入損耗為0.5dB）。聚酯外包層的增加，也相當(dāng)于在傳感器外又增加了一個(gè)保護(hù)層，提高了傳感器的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕能力，使壽命得以延長(zhǎng)。增加聚酯外包層后，標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖傳感器的外徑（直徑）達(dá)到了900μm，而傳感器長(zhǎng)度L通常＞100mm。此種結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)于混凝土基、環(huán)氧基等材料都是有效的。

圖13 增加正弦輪廓的橡膠外包層的光纖形變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Fiber optic deformation sensor's construction with sine shape rubber layer

對(duì)于另外一些小模量、大形變的基體材料，例如土體，即使加入了緩沖層，基體材料與傳感器的力學(xué)性能依舊差異較大，相互作用過(guò)程中，界面常常會(huì)產(chǎn)生開(kāi)脫現(xiàn)象。因此，需要增加傳感器與基體材料接觸界面的相互作用力，為此對(duì)圖12的傳感器的結(jié)構(gòu)再次加以擴(kuò)展，在傳感器的外側(cè)，又增加了一種正弦輪廓的外包層結(jié)構(gòu)，光纖形變傳感器變?yōu)槿鐖D13所示的結(jié)構(gòu)。圖中，引入正弦外輪廓結(jié)構(gòu)的目的是增加傳感器與基體材料作用時(shí)的摩擦力，減小產(chǎn)生滑脫的可能性，使相互作用更加完全，以此來(lái)進(jìn)一步改善傳感器與基體的相容性。

傳感器第二緩沖層的具體結(jié)構(gòu)形狀為，以石英光纖的中軸線為x軸，光纖徑向?yàn)閥軸，傳感器的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，建立平面直角坐標(biāo)系xoy，則正弦輪廓線可以用下式描述：

式中x，y為正弦輪廓的坐標(biāo)，單位為mm。

即光纖傳感器的外輪廓正弦曲線的周期為25 mm，其波峰直徑為8mm，波谷直徑為5mm。傳感器的標(biāo)距長(zhǎng)度可以根據(jù)基體材料的尺度要求在幾十厘米至幾米間選取。

上述傳感器構(gòu)成了一種3包層結(jié)構(gòu)（內(nèi)包層光纖涂敷層、第一外包層聚酯材料包層，第二外包層正弦輪廓橡膠包層）的光纖形變傳感器。

通常白光干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒ㄊ歉鶕?jù)實(shí)際測(cè)試環(huán)境的要求，截取一段長(zhǎng)度適中的光纖，一般短則十幾厘米，長(zhǎng)則數(shù)米；兩側(cè)加裝陶瓷插芯，并使用環(huán)氧樹(shù)脂粘接；然后對(duì)插芯進(jìn)行拋光處理，以獲得平整、光滑的端面，保證其反射率＞1%。上述方法中，拋光工藝費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且光纖端面的反射率通常有大有小，一致性較難保證，尤其是在傳感器多路復(fù)用時(shí)，影響較為明顯。

通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在傳感器的制備過(guò)程中，逐漸摸索出了一套采用切割工藝替代拋光工藝的光纖形變傳感器的制備方法。由于切割工藝獲得的是光纖自然的解理面，而使傳感器的反射率的一致性得到極大的改善；由于切割方法的簡(jiǎn)單快速，使光纖傳感器更適合于批量生產(chǎn)。

采用上述制作方法，批量制作的光纖形變傳感器見(jiàn)圖14。

圖14 采用切割工藝批量制作的光纖形變傳感器Fig.14 Fiber optic deformation sensor manufactured by cutting arts

封裝的目的是為了系統(tǒng)與傳感器實(shí)現(xiàn)低損耗的連接，完成問(wèn)訊過(guò)程。封裝質(zhì)量直接決定傳感器反射信號(hào)的強(qiáng)度。封裝的有效性是由菲涅耳反射率和信號(hào)光傳輸信號(hào)二者共同表征的，即在保證菲涅耳反射信號(hào)具有一定強(qiáng)度（至少1%反射率）的前提下，盡量減小信號(hào)光插入損耗。菲涅耳反射率與插入損耗二者的聯(lián)系是建立在連接端面的間隙上，并且插入損耗對(duì)端面間隙非常敏感，隨著間隙的增加，插入損耗迅速上升；反射率也同樣受到間隙的影響，間隙過(guò)小，將導(dǎo)致反射信號(hào)不足。連接封裝是一個(gè)調(diào)節(jié)傳感器端面間隙的過(guò)程，見(jiàn)圖15。此外，封裝還需要密封和加固的過(guò)程，這是防止間隙內(nèi)進(jìn)入水汽使光纖信號(hào)反射率下降或者由于載荷過(guò)大而拉脫，導(dǎo)致傳感器失效。

圖15 光纖形變傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15 Fiber optic deformation sensor's construction

三包層光纖形變傳感器的各層結(jié)構(gòu)中，第一聚酯包層可以借助于光纜結(jié)構(gòu)成型，而第二外橡膠包層，需要自行設(shè)計(jì)模具成型。光纖形變傳感器對(duì)于成型模具的要求是正弦外輪廓畸變小，成型過(guò)程簡(jiǎn)單，脫模容易，并且可反復(fù)使用。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了橡膠外包層的成形模具，見(jiàn)圖16。

圖16 正弦輪廓橡膠外包層成型模具Fig.16 Shape mould for fiber optic deformation sensor's rubber layer

模具由銅制模芯、橡膠成型體和模具殼體3部分構(gòu)成。銅制模芯的外輪廓即是橡膠外包層的成型形狀。模具的使用過(guò)程分兩個(gè)步驟：

1）采用硅橡膠借助于模芯和模具殼體制作橡膠成型體。將模芯放入模具殼體中，并注入橡膠材料填滿(mǎn)模具殼體中空隙，然后將模具殼體對(duì)合。待橡膠固化后，打開(kāi)模具殼體并拆除模芯，對(duì)合模具殼體，則橡膠成型體的中間空隙，就是正弦輪廓形狀。

2）利用帶有模具殼體的橡膠成型體制作傳感器第二包層。在橡膠成型體表面涂抹脫模劑，并將帶聚酯外包層的光纖傳感器放入橡膠成型體中，并向空隙處注入硅橡膠，對(duì)合模具殼體，待橡膠固化后拆模。通過(guò)倒模，來(lái)獲得第二橡膠外包層結(jié)構(gòu)。成型的光纖形變傳感器見(jiàn)圖17。

5 將傳感器安裝于結(jié)構(gòu)中的相關(guān)問(wèn)題

在光纖傳感器的安裝過(guò)程中，首先要避免由外界因素（如光纖曲率半徑＜3cm或光纖某一點(diǎn)受到高強(qiáng)度的壓力）引起的傳輸損耗。將光纖放入抗壓護(hù)套中可以起到一定程度的保護(hù)作用，這種帶有抗壓護(hù)套的光纖通常稱(chēng)為光纖光纜。圖18為一種金屬蛇皮管鎧裝后的加強(qiáng)光纖光纜。這種設(shè)計(jì)可以很好地保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖。

圖18 用抗壓套管保護(hù)的光纖Fig.18 Optical fiber protected within crush resistant tubing

許多學(xué)者在研究中已經(jīng)證明，可以將光纖傳感器集成并埋入各種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料或混凝土中。圖19所示的光纖光纜被直接埋入復(fù)合材料或混凝土結(jié)構(gòu)中，并且從結(jié)構(gòu)中延伸出來(lái)作為輸入／輸出端。這種結(jié)構(gòu)的輸入／輸出連接處只用單芯光纜護(hù)套進(jìn)行保護(hù)，它只能應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室的工作環(huán)境下，并不適用于環(huán)境惡劣的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，則需要用加強(qiáng)構(gòu)件或抗壓套管對(duì)光纖光纜進(jìn)行保護(hù)，以保證光纖與復(fù)合材料或混凝土外部接合部位的工作強(qiáng)度。

圖19 在混凝土試樣中埋入帶尾纖的光纖傳感器Fig.19 Embedded fiber optic sensor with pigtailed optical cable in concrete specimen

在實(shí)驗(yàn)室中，利用光纖光纜作為外部的尾纖可以有效地改進(jìn)埋入式光纖傳感器的連接性能，見(jiàn)圖19。對(duì)于從混凝土試樣延伸出來(lái)的光纖光纜，選擇合適的長(zhǎng)度后，將光纖端做成FC／PC型的連接頭。帶尾纖的埋入混凝土梁中的光纖傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖20。

圖20 帶尾纖的集成傳感器的混凝土結(jié)構(gòu)Fig.20 Pigtailed fiber optic cable lead from the sensor-integrated concrete structure

另一個(gè)需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳感光纖和結(jié)構(gòu)外部的傳輸光纖的連接問(wèn)題。目前，有多種連接傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的方法[4]，在實(shí)際應(yīng)用中具體采用哪種連接方法要根據(jù)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)材料（混凝土、金屬或其他復(fù)合材料）的情況來(lái)決定。在眾多的連接方法中，最簡(jiǎn)單的是直接用標(biāo)準(zhǔn)的連接頭和套管來(lái)連接尾纖與檢測(cè)系統(tǒng)的光纖，這也是光纖通信領(lǐng)域中常見(jiàn)的連接方式。此外，在實(shí)際應(yīng)用中一般還將連接部件安裝在結(jié)構(gòu)表面靠近尾纖出口處[5]。

有一種連接傳感光纖與傳輸光纖的方法是將裸光纖端插入陶瓷光纖插芯后進(jìn)行連接。圖21所示的預(yù)埋環(huán)氧基白光光纖干涉?zhèn)鞲衅骶涂梢灾苯永眠@種方法與外部傳輸光纖進(jìn)行連接。另外，將光纖形變計(jì)埋入智能螺栓中也能夠?qū)崿F(xiàn)光纖之間的連接，見(jiàn)圖22。

圖21 預(yù)埋環(huán)氧基傳感頭Fig.21 Pre-embedded epoxy bar sensor head

圖22 安裝在應(yīng)變傳感螺栓中作為外部連接元件的光纖陶瓷插芯連接Fig.22 Fiber optic ceramic ferrule as external connector assembly in a strain sensor bolt

此外，還可以將預(yù)埋環(huán)氧基傳感器探頭直接集成在各種結(jié)構(gòu)中。對(duì)于這些集成的預(yù)埋式光纖傳感器，提高對(duì)準(zhǔn)效率的最簡(jiǎn)單方法是把傳感光纖的一端插入高精確度的陶瓷插芯并固定好后，與外部傳輸光纖的陶瓷插芯同時(shí)從兩端插入與陶瓷插芯配套的陶瓷套管內(nèi)。這種利用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷套管進(jìn)行光纖對(duì)準(zhǔn)的方法，可以極大地減小光纖傾斜的可能性，從而降低光信號(hào)在此處的連接損耗。另外，圓形陶瓷插芯和套管相互之間可以任意地旋轉(zhuǎn)，從而減小光纖與套管之間微小的偏心所引起的損耗。光纖的連接是通過(guò)將兩根光纖端面匹配對(duì)接實(shí)現(xiàn)的。圖23光纖連接由3個(gè)基本部分組成：兩個(gè)用于固定和保護(hù)光纖的陶瓷插芯、用于對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)陶瓷插芯的陶瓷彈簧套管以及對(duì)準(zhǔn)完成后對(duì)陶瓷插芯和套管進(jìn)行固定的裝置。

圖23 作為外部連接元件的埋入式光纖陶瓷插芯Fig.23 Embedded fiber optic ceramic ferrule as external connector assembly

[1]Ansari，F(xiàn).，Maji，A.，Leung，C.Intelligent civil engineering materials and structures [M].ASCE-SP，New York，1997.

[2]Yuan，L.B.，Zhou，L.M.Sensitivity coefficient evaluation of an embedded fiber-optic strain sensor [J].Sensors and Actuators A，1998，69：5-11.

[3]Yuan，L.B.，Jin，W.，Zhou，L.M.et al.The temperature characteristic of fiber-optic pre-embedded con-crete bar sensor [J].Sensors and Actuators A，2001，93：206-213.

[4]William，B.，S.Jr.，Jeffery，R.L.Methods of fiber optic ingress／egress for smart structures [M].Ed.，by Udd，E.，F(xiàn)iber Optic Smart Structures，John Wiley＆Sons，Inc.，New York，1995：121-142.

[5]Kang，H.K.，Park，J.W.，Ryu，C.Y.，et al.Development of fiber optic ingress／egress methods for smart composite structures [J].Smart Materials and Structures，2000（9）：149-159.