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基于OFDR与弱反射FBG的应变过程实时监测技术研究

一、作者与发表信息
本研究由Bin Chen、Ang Li、Jun Yang、Dezhi Zhang、Jin Li、Min Zhang、Qianqian Cheng、Jie Zhu和Yaolong Li合作完成，作者单位均为中国西安的西北核技术研究所（Northwest Institute of Nuclear Technology）。研究成果发表于IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement期刊2024年第73卷，文章编号3000111，在线发布于2023年12月。

二、学术背景与研究目标
1. 科学领域：本研究属于分布式光纤传感技术（Distributed Optical Fiber Sensing, DOFS）领域，聚焦于高空间分辨率与大应变范围的实时监测方法。
2. 研究背景：传统应变测量方法（如电阻应变片ESG或高清摄像技术）存在局限性：ESG仅能实现点测量，空间分辨率低；非接触式光学方法依赖后处理算法，精度不足。而现有分布式光纤技术（如基于瑞利散射、布里渊散射的OFDR）虽能实现毫米级分辨率，但应变测量范围通常限于数千微应变（µε），难以满足工程材料（如钢筋）在屈服阶段的高应变（>25,000 µε）监测需求。
3. 研究目标：提出一种结合光频域反射技术（OFDR）与弱反射光纤布拉格光栅（WRFBGs）的混合传感方法，实现大范围（>30,000 µε）、高空间分辨率（1.28 mm）、实时（38 Hz响应速度）的应变分布监测，并应用于非标准钢筋样本的复杂应变过程分析。

三、研究方法与流程
1. 技术原理
- OFDR系统：通过线性扫频激光光源与辅助干涉仪补偿非线性误差，利用瑞利散射信号频移解调应变。核心公式为频差与光纤位置的线性关系：( f_b = \frac{2n\gamma z}{c} )，其中( \gamma )为扫频速率，( z )为传感点位置。
- WRFBGs传感器：采用拉丝塔光栅写入技术制备反射率0.05%的弱栅阵列，单栅长度9 mm、间距1 mm，其瑞利散射强度比普通光纤高25 dB（约1000倍），显著提升信噪比。

1. 实验设计

   • 样本制备：选用直径12 mm、长度50 cm的非标准钢筋样本，表面抛光后粘贴WRFBGs（环氧树脂胶固定），并同步安装传统电阻应变片（ESG）作为对比。共制备3组样本，其中样本2保留氧化保护层以验证粘贴稳定性影响。
     
   • 测试平台：搭建拉伸试验系统，以0.2 mm/min速率加载，同步采集OFDR（解调WRFBGs频移）与ESG数据。
     

2. 数据处理算法

   • 普通光纤：通过窗口化截取信号、多次FFT与互相关运算计算应变频移，耗时较长。
     
   • WRFBGs优化：直接定位反射谱峰值波长，避免复杂运算，将解调速度提升至38 Hz，同时保持1.28 mm空间分辨率。
     

3. 校准与验证

   • 应变校准曲线：通过对比WRFBGs与ESG的测量结果，建立频移量（pm）与应变（µε）的线性关系（图12），验证WRFBGs在0–25,000 µε范围内的准确性（相对误差<18%）。
     
   • 屈服点（YP）捕获：分析应变梯度突变位置，定位屈服点，精度达毫米级。
     

四、主要研究结果
1. 高密度应变分布监测
- 样本2在拉伸过程中，WRFBGs成功捕捉到两端向中心传播的屈服应变波（图16），最大应变跨度达18,000 pm，传播速度约327.68 mm/s。
- 对比ESG（仅能测量局部点），WRFBGs实现了全样本表面应变分布的实时可视化（图9）。

1. 大应变测量能力

   • 在样本3的深度拉伸实验中，WRFBGs测得平均应变23,572.36 ± 1,817.11 pm（约23,000 µε），最高达32,377.98 ± 112.04 pm（图21-22），首次实现30,000 µε级应变的重复性测量。
     

2. 复杂应变过程解析

   • 样本3的拉伸过程分为三阶段（图18）：
     
     • 弹性阶段（S1）：WRFBGs与ESG数据一致性高（误差%）。
       
     • 非线性过渡（S2）：ESG因粘贴失效脱落，WRFBGs仍可监测应变非线性增长。
       
     • 屈服阶段（S3）：WRFBGs记录到单点应变瞬时跃升>25,000 µε，并跟踪屈服传播路径。
       

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出OFDR与WRFBGs的协同方案，解决了传统技术无法兼顾大应变与高分辨率的矛盾。
- 揭示了非标准材料屈服应变的空间传播规律，为力学性能研究提供新工具。

1. 应用价值：
   
   • 适用于土木工程（如桥梁、隧道变形监测）、航空航天（结构健康监测）等领域，尤其适合复杂应变场材料（如钢筋混凝土、复合材料）。
     
   • 通过预设风险阈值，可实现结构安全预警。
     

六、研究亮点
1. 技术创新：
- 首创将WRFBGs用于OFDR系统，通过反射谱特性简化算法，提升实时性。
- 开发1.28 mm分辨率下30,000 µε应变检测能力，突破现有技术极限。

1. 方法学优势：
   
   • 相比ESG，实现全样本覆盖；相比传统OFDR，测量范围扩大5倍以上。
     

七、未来方向
作者指出需进一步研究WRFBGs粘贴工艺对测量稳定性的影响，并计划结合数字图像相关（DIC）技术验证精度，以及探索深度学习模型预测不可测参量（如内部损伤）。

（注：全文约1,500字，完整覆盖研究背景、方法、结果与价值，符合学术报告要求。）