第1章 绪论
1.1 智能材料结构概述
智能材料的来源可追溯到20世纪70年代，美国学者Claus[1]将光纤埋入聚合物基碳纤维复合材料中，开创了智能材料结构学科。20世纪80年代中期人们开始讨论智能材料的定义，正式提出了智能材料的概念。*先，关于智能材料的英文表述有“smart material”“adaptive material”“smart structures”等，但笔者认为“intelligent material”更适合作为智能材料结构的表述，因为“intelligent”有判断、推理的含义，能更好地诠释“智能”的含义。肖纪美院士在《智能材料的来龙去脉》一文中介绍了不同学者对智能材料的各种定义，并通过逻辑分析对智能材料概念的内涵与外延进行了客观的评述[2]。例如，有侧重技术上的定义——“在材料和结构中集成有执行器、传感器和控制器”，该定义说明了材料类型与功能，但问题在于没有系统集成的指导思想和目标；有侧重科学上的定义——“在材料系统微结构中集成智能与生命特征，达到减小质量、降低能耗并产生自适应功能目的”，该定义的问题在于没有材料类型与功能要求。杨大智院士给出了一个相对全面的定义：智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数、自身可做出所期望的能与变化后的环境相适应的自我调整的复合材料或材料的复合[3]。
智能材料结构中两类重要的功能材料是感知材料及响应与驱动材料[4]。其中，感知材料感知环境信息及自身性能的变化；响应与驱动材料（可做成驱动或执行器）是对外界环境条件或内部状态发生变化做出响应或驱动的材料。它具有如下特征：①利用上述两种功能材料做成传感器和驱动器；②其中，传感器对外界刺激信号做出感知，得到感知信号；③并用信息技术对感知信号进行处理，指令反馈给驱动器；④然后驱动器做出及时、灵敏、恰当的反应；⑤当外部刺激信号消失后，迅速恢复到原始状态。
常用驱动材料有压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆材料、电流变材料和磁流变材料。目前驱动材料在实际应用中仍然存在作动力较小、响应滞后等问题。感知材料是指具有感知功能的材料（可做成各种传感器），用于感知外界或内部的刺激信号（如光、电、磁、热、化学、应力、应变与辐射等）。常用感知材料包括压电材料、电阻应变材料、微芯片传感材料与光纤传感材料。上述感知材料无法在材料结构内串联布设，需要大量并联导线，因此布线复杂，不易埋设，而且不能适应极限工作条件（如高温、高压、高磁场、高辐射、高腐蚀），其应用有限。然而，光纤材料由于体积小、质量轻、灵敏度高、动态范围大，可用于易燃、易爆、高电场及强磁场等极限条件，其与母体复合材料具有优良的兼容性，埋入方便，已成为智能材料结构的*选传感材料。因此，基于光纤传感的智能材料结构迅速且蓬勃地发展起来。
1.2 光纤传感器
1.2.1 光纤传感器的原理、特点及分类
光导纤维（简称光纤）*早用于传光及传像。在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传输信息。然而，光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且还可以作为传感载体。这是因为光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）作用而发生间接或直接的变化，从而可将光纤作为敏感元件来探测各种物理量，这也是光纤的基本传感原理。
光纤传感器主要由光源、光纤、光检测器和附加装置等组成。光源种类很多，常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类[5]。利用外界物理因素改变光纤中的光强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输的，称为传感型（或功能型）光纤传感器，其具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。传光型光纤传感器是指通过将被测对象调制后的光信号输入光纤，并在输出端对光信号进行处理以实现测量的传感器。在该类传感器中，光纤仅作为光传输元件，而必须额外配置能够对光信号进行调制的敏感元件。
与传统传感器相比，光纤传感器具有一系列*特、难以比拟的优点，主要如下。
（1）光波抗电磁干扰能力极强，电绝缘、耐腐蚀，本质安全。
由于光纤传感器是利用光波传输信息，光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，免电磁干扰，同时也不影响外界的电磁场。因此它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁场干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能安全而有效地传感。
（2）灵敏度高。
利用长光纤和光波干涉技术可使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中有的已由理论和试验验证，如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器。
（3）质量轻、体积小，对被测介质影响小。
光纤具有质量轻、体积小的特点，这有利于埋入结构材料中，尤其有利于用在航空航天以及狭窄空间中。
（4）外形可变。
光纤还具有可弯*的*特优势，其与结构具有与生俱来的相容性，因此可利用光纤制成外形各异、尺寸不同的光纤传感器。
（5）可测参量多，应用对象范围广泛。
通过不同的解调和调制技术，光纤传感器可以实现多种参量的传感，例如应力、温度、振动、电流、电压、速度、加速度、转角、弯*、位移、折射率、溶液浓度等。因此，光纤传感器测量对象十分广泛，可感知的参量已经达到了100多种。
1.2.2 光纤传感器的应用及发展现状
光纤一问世就受到极大重视，几乎在各个领域都得到了研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术的蓬勃发展。随着20世纪70年代低损耗光纤的成功研发，光纤已经发展成为现代通信和光传感网络的代名词。光纤传感器的传统终端市场包括航空航天、国防、石油和天然气开采、基础设施发展和电信行业。传统终端市场的发展将继续推进全球光纤传感器市场的增长。由此可见，智能结构的升级、新兴基础设施建设的蓬勃发展以及石油和天然气行业的飞速发展都为光纤传感器的市场增长开辟了重要机遇。
2021年全球分布式光纤传感市场规模大约为58亿元（人民币），预计2028年将达到114亿元，2022～2028年年复合增长率为9.87%。2021年中国占全球市场份额为24.02%，北美占34.63%，预计到2028年中国市场复合增长率为11.96%，并在2028年规模达到4.788亿美元，同期北美市场复合平均增长率（compound annual growth rate，CAGR）预计大约为9.13%。目前北美是全球*大的分布式光纤传感生产地区，占有大约44%的市场份额，中国占有大约30%的市场份额[6]。
然而在光纤传感领域中，传统光纤传感器绝大部分是光强型和干涉型的。前者的信息读取依赖于光强大小，因此光源起伏、光纤弯*损耗、连接损耗和探测器老化等因素都会直接影响光纤传感器的测量精度。而干涉型传感器的信息读取是观察干涉条纹的变化，这就要求干涉条纹清晰，而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等，这样光纤光路的灵活和连接方便等优点就大打折扣，而且干涉型传感器是一种过程传感器，而不是状态传感器，必须要有一个固定参考点，这给光纤传感器的应用带来了难度。
近年来，光纤光栅与全分布式光纤传感技术以其分布式、便于组网的*特优势，在光纤传感技术竞争中日益显示出强大的生命力，并在军用、民用等工程领域广泛应用。
1.3 光纤光栅传感器
1.3.1 光纤光栅传感器的特点
1978年，在掺锗石英光纤中，加拿大渥太华通信研究中心Hill等[7]*次发现了光纤的光敏效应，并制作出世界上**个光纤光栅，从而引起了光纤传感领域一次新的革命。1989年美国联合技术研究中心Meltz等[8]以倍频燃料激光器输出的244nm的紫外光为光源，用全息干涉法在掺锗石英光纤上研制出**支布拉格波长位于通信窗口的光纤光栅，使光纤光栅进入实用化。1993年，Hill 等[9]又提出利用相位模板制作光纤光栅，使光纤光栅工业化生产成为现实。
除了具有普通光纤传感器的优点外，光纤光栅传感器还有一些明显优于传统光纤传感器的优势，其中*重要的就是波长编码以及复用特性，主要优点如下。
（1）波长编码，抗干扰能力强。
这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性（忽略光纤的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。
（2）便于复用成网。
光纤光栅能构成各种形式的光纤传感网络，形成分布式光纤光栅传感器阵列，结合波分复用、时分复用技术解调光纤光栅传感器阵列的光学信号，可实现多点测量的分布式光纤传感网络。
（3）光纤光栅传感器可实现绝对测量，具有良好的重复性。
光纤光栅是自参考的，可以绝对测量（在对光纤光栅进行标定后），不必像基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。
（4）易于和材料复合。
鉴于光纤光栅外观与普通光纤相似，具备结构简单、体积小巧的特点，因此易于嵌入复合材料构件或大型建筑物内部。采用光纤传感技术的智能材料和结构，能够实现对结构完整性、安全性、荷载疲劳程度及损伤状态等进行持续且实时的监测。
1.3.2 光纤光栅传感器的应用及发展现状
随着相位掩膜法的使用、光纤制造技术的不断完善、应用成果的不断出现及世界向信息化社会的迈进，光纤光栅已成为目前较具挑战性和较有发展前途的光纤无源器件之一，极大地促进了光纤通信和光纤传感领域的发展，并被广泛应用于国防、工业与农业生产、环境保护、生物医学、计量测试、交通运输、自动控制等领域。特别是在光纤传感领域，光纤光栅作为一种具有优良性能的光纤传感元件，在土木工程和航天工程等技术领域有着很好的应用前景。
在光纤通信领域，光纤光栅的出现使许多复杂的全光通信成为可能。研究表明，光纤光栅以及基于光纤光栅的器件已经能够解决全光通信系统中许多关键技术问题，例如，光纤光栅可用于制作光纤光栅激光器、波分复用器、色散补偿器、波长变换器等。
在光纤传感领域，自从1990年美国的 Morey 等[10]*次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究。光纤光栅已成为传感领域发展*快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如土木工程、航天器及船舶、电力、石油工业、医学、化学、医药等领域。
2003年，Magne 等[11]将11个光纤光栅传感器布设在混凝土箱形梁内部，监测桥梁在动荷载作用下的反应，对桥梁的健康状况进行评估。2004年，欧进萍等[12]对黑龙江省的呼兰河大桥进行健康监测，布设的光纤光栅传感器监测了预应力箱形梁张拉过程的钢筋应变历程，以及箱形梁静载试验的钢筋应变增量与分布。2007年，李冬生等[13]在四川峨边大渡河拱桥关键性吊杆中成功布设了光纤光栅应变和温度传感器，利用布设好的光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感器成功监测了车辆荷载下吊杆应变历程和温度变化过程、同一车辆荷载对不同长度吊杆的影响。2009年，王旭等[14]将光纤光栅应变传感器应用到云南小磨高速公路九龙隧道工程。同年，胡宁[15]将光纤光栅应变传感器应用到福建厦门翔安海底工程中。2010年，郝晋豫等[16]将光纤光栅应用在郑州至西安铁路无砟轨道线路工后沉降监测上。2013年，段抗等[17]等将光纤光栅位移传感器应用在盐岩地下储气库群模型试验中。2014年，孙健[18]在神东天隆集团马家塔2号露天矿进行边坡位移的测量。2019年，胡仲春[19]基于光纤光栅传感技术和云服务平台提出多类型近接工程综合监测系统，实现了对太原火车站蓄水池基坑、下穿既有铁路隧道等近
展开
