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光纤光栅式土压力计检测

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发布时间：2025-07-14 22:34:55 更新时间：2025-07-13 22:34:55

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

光纤光栅式土压力计检测：原理、应用与核心要素

光纤光栅式土压力计（Fiber Bragg Grating Soil Pressure Cell, FBG-SPC）是一种基于光纤布拉格光栅传感原理的先进土压力测量设备。其核心在于利用写入光纤纤芯的周期性折射率调制结构（光栅）对特定波长（布拉格波长）的反射特性。当外部土压力作用于传感器的感应膜片上时，引起膜片形变，进而传递给与膜片相连的光纤光栅，导致光栅周期或有效折射率发生变化，最终表现为反射波长的偏移。通过高精度解调仪检测这一波长偏移量，即可精确换算出土压力值。

相较于传统电阻式或振弦式土压力计，FBG-SPC具有本质安全（无电火花风险）、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、传输距离远、可实现准分布式测量（一根光纤串联多个传感器）等显著优势。因此，它被广泛应用于岩土工程安全监测领域，如隧道衬砌土压力监测、路基沉降与侧向土压力监测、挡土墙土压力分布监测、大坝基础接触压力监测以及深基坑支护结构受力状态监测等，为工程的安全施工与长期稳定运行提供关键数据支撑。

为确保光纤光栅式土压力计测量数据的准确性、可靠性和长期稳定性，对其进行科学、规范的检测至关重要。检测工作贯穿于传感器出厂检验、现场安装前标定、定期校准以及数据异常排查等全过程。

核心检测项目

对光纤光栅式土压力计的检测，主要围绕其核心性能参数展开：

1. 初始（基准）频率/波长： 检测传感器在零压力（通常为标准大气压）和参考温度（通常为20℃或25℃）条件下的中心反射波长或频率值。这是所有后续测量的基准点。

2. 灵敏度（标定系数）： 这是最重要的参数之一。检测传感器输出（波长偏移量 Δλ）与输入压力（P）之间的线性关系，即斜率 K = Δλ / P。通过施加一系列已知标准压力，记录对应的波长变化，进行线性回归求得标定系数K及其线性度（拟合优度R²）。

3. 温度特性与温度补偿系数： 光纤光栅本身对温度和应变同时敏感。需检测传感器在零压力下，其中心波长随温度变化的关系（温度灵敏度系数 C_T = Δλ / ΔT）。对于理想的只感测压力的FBG-SPC，需要通过结构设计或双光栅补偿法（一个感压光栅 + 一个测温光栅）来分离压力与温度效应，因此需检测测温光栅的性能或整个传感器的温度补偿效果。

4. 零点稳定性（零点漂移）： 在恒定温度和零压力条件下，长时间（如数小时或数天）监测传感器输出波长的变化量，评估其短期和长期的零点稳定性。

5. 重复性： 在同一条件下，对传感器多次施加相同的压力值，检测其输出值的一致性。

6. 迟滞： 检测传感器在压力加载和卸载过程中，同一压力点下输出值的差异，反映其机械响应的滞后特性。

7. 量程与过载能力： 验证传感器在其标称量程内正常工作，并检测其承受短暂超过量程的压力（过载）后是否能恢复到初始性能。

8. 长期稳定性： 评估传感器在长期使用中（数月或数年），其灵敏度、零点等关键参数的漂移情况。

9. 密封性： 检测传感器壳体及光缆引出端的密封性能，确保在恶劣的地下或水下环境中不会渗水或进土，保护内部光栅和结构。

10. 绝缘电阻（如适用）： 对于带金属外壳或需要接地的传感器，检测其电气绝缘性能。

关键检测仪器

完成上述检测项目需要依赖专业的仪器设备：

1. 光纤光栅解调仪： 这是核心设备。用于发射宽带光信号，接收并解析FBG-SPC反射回来的光谱，精确测量其中心波长（精度通常要求达到±1 pm或更高）。分为静态解调仪（高精度实验室用）和动态解调仪（现场监测用）。

2. 高精度压力标定装置（压力源）： 用于产生稳定、精确且可调的标准压力。包括：

* 液压/气压活塞式压力计： 最高精度等级（如0.02级），用于实验室高精度标定。
* 数字压力控制器/校准器： 精度较高（如0.05级），操作方便，适合实验室和现场标定。
* 精密压力表/传感器： 作为参考标准，需定期送检。

3. 恒温槽/高低温试验箱： 提供稳定、均匀且可精确控制的温度环境，用于测试温度特性和温度补偿系数。

4. 精密温度计/温度传感器： 用于准确测量恒温环境或被试FBG-SPC附近的温度，精度通常要求±0.1℃或更高。

5. 数据采集与处理系统： 用于记录解调仪输出的波长数据、压力数据和温度数据，并进行计算、分析和存储。

6. 辅助工具： 光功率计、光纤熔接机/连接器（用于光路连接检查）、万用表（检查电气特性）、密封性测试装置（如加压水槽、检漏仪）等。

主要检测方法

检测需在受控环境（如恒温实验室）下按规范流程进行：

1. 初始波长/频率检测： 将FBG-SPC置于参考温度(如20℃)和零压力（大气压）环境中稳定足够时间，使用解调仪读取并记录其中心波长值λ₀。

2. 灵敏度（标定系数）检测：
a) 将传感器安装于压力标定装置，确保压力传递良好。
b) 在恒温条件下，从零压力开始，按量程的0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%逐级施加标准正压力，待压力稳定后记录波长值λ_i+。
c) 达到满量程后，按100%, 80%, 60%, 40%, 20%, 0%逐级卸载，记录波长值λ_i-。
d) 重复b-c步骤至少3次（加载-卸载循环）。
e) 计算每个压力点下多次测量的波长平均值及对应的波长偏移量Δλ = λ - λ₀。
f) 绘制压力P与波长偏移Δλ的关系曲线，进行线性最小二乘拟合，得到标定系数K（灵敏度）和线性相关系数R²。计算迟滞误差和重复性误差。

3. 温度特性检测：
a) 传感器置于零压力状态。
b) 将传感器放入恒温槽/高低温箱。
c) 在设定的温度范围（如0℃~50℃或更宽）内，以固定间隔（如5℃或10℃）改变温度，并在每个温度点充分稳定后，记录中心波长值λ_T和实际温度T。
d) 绘制温度T与波长偏移Δλ_T = λ_T - λ₀的关系曲线，进行线性拟合得到温度灵敏度系数C_T。

4. 温度压力交叉灵敏度测试（验证补偿效果）： 在多个不同的恒定温度点（如10℃, 25℃, 40℃），重复步骤2（灵敏度检测），验证在不同温度下得到的标定系数K是否一致。若设计有测温光栅，需同时检测测温光栅的温度特性。

5. 零点稳定性与长期稳定性测试： 在恒温恒压（零压）条件下，长时间连续（如24小时、7天、数月）记录波长输出，分析其漂移量。

6. 密封性测试： 将传感器完全浸入水中或置于密封加压容器中，施加高于其最大工作压力的水压或气压（如1.5倍量程），保持一段时间，观察是否有气泡持续溢出（水浸