【毕业论文】大型桥梁结构健康监测技术研究

大型桥梁结构健康监测技术研究 摘要 桥梁的运营期间，由于荷载等各种不利因素的影响，桥梁结构不可避免地出现结构损伤和损伤累积，轻则会使桥梁的使用寿命缩短，重则甚至会导致大桥的突然坍塌。为了从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生，需要对桥梁结构的健康状况进行实时监测。 本文的研究重点是大型桥梁结构健康 监测系统的传感器的选择，传感器的优化布设和传感器的埋入等问题。 本文分析了几种用于监测桥梁结构的 应变传感器，包括电阻应变式传感器，光纤纤光栅应变传感器，分布式布里渊光纤传感器，通过对其结构,原理，特点和实际应用的分析对比，可以根据各自的特点及需要选择不同类型的传感器。本文选择的是将传输与传感媒质合二为一的分布式布里渊光纤传感器。 本文的重点是建立一个桥梁结构监测系统的传感器优化布设模型，该模型根据简支梁截面弯矩与挠度的关系，以传递误差最小为优化准则，建立了以控制截面挠度的传递误差最小的优化目标，并采用遗传算法的优化计算方法进行计算，得出了对于简支梁应变传感器除了在跨中等控制截面布店以外，其余应变传感器应均匀布置的结论。 光纤传感器埋入混凝土之后会产生一系列的问题，通过研究两者之间的相互影响，同时对目前的埋入方法进行研究，在金属保护座的埋入方法的基础上，提出了增加一个隔离套管的新型传感器埋入方法。 关键词：桥梁结构，健康监测，传感器，优化布设，传感器埋入 n be by as a of of it to of or to To of we to on to of of in of in -P to we to is to of of is to a of on of to of to of to of of to on to in in be a of in a of is to a on of 录 第一章 绪论 . 1 型桥梁结构健康监测的目的及意义 1 2 型桥梁结构健康监测的发展现状 4 型桥梁结构健康监测的研究热点 5 型桥梁结构健康监测存在的问题 7 文研究的主要内容 8 第二章 用于桥梁结构健康监测系统中的传感器. 10 于桥梁结构监测的应变传感器种类. 10 .10 .13 .15 .19 .24 .25 .26 第三章 传感器的优化布设研究 .28 . 29 感器优化布设的方法 .感器优化布设模型设计 32 章小结 37 第四章 光纤传感器埋入混凝土的研究 . 39 纤传感器埋入基体材料要满足的相容条件 .39 . 39 凝土对埋入式光纤传感器的影响 .41 . 42 - - 章小结. 47 第五章 总结与展望 49 结. 49 望. 49 参考文献. 51 致谢.53 - - - 1 - 第一章 绪论 1 1 大型桥梁结构健康监测的目的及意义 20 世纪 80 年代以来, 在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区, 相继发生了一些桥梁结构的突然性断裂事件, 这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注,也使各国政府和科研机构意识到, 研究桥梁结构的健康诊断问题已刻不容缓。 在桥梁(尤其是大型结构的桥梁)的运营期间， 由于荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应、材料老化和突发事故(如撞击、地震)等不利因素的影响，桥梁结构不可避免地出现结构损坏和损伤积累， 不仅影响行车安全， 而且会使桥梁的使用寿命缩短，严重的甚至会导致突然倒塌。为了适时捕捉到桥梁结构损伤的信息，需要对桥梁结构的健康状况进行实时自动的监测，这样有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。 建立桥梁健康监测系统具有重要意义，主要表现在以下几个方面： (1)对桥梁健康状况进行监控与评估。 桥梁健康监测是运用现代化传感与光电通讯及智能评估技术，实时监测桥梁运营阶段的结构响应与行为，获取反映结构综合状况的各种信息，由此分析结构健康状态，评估结构的可靠性，对大桥结构服役期间出现的损伤进行其定性、定位和定量分析，为桥梁的管理与维护提供科学依据。 在结构经过长期使用或遭遇突发灾害之后，通过测定其关键性能指标，获取反映结构状况的信息分析其是否受到损伤。如果受到损伤，还要分析其可否继续使用以及剩余寿命等。这对确保桥梁的运营安全、及早发现桥梁病害，延长桥梁的使用寿命起着积极的作用。 (2)验证设计理论为以后设计和建造提供依据。 由于桥梁尤其是大型特殊结构桥梁的力学、结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段安全掌握和预测其力学特性和行为特性是非常困难的。大跨度索支承桥梁的设计依赖于理论分析，并通过风洞、振动台模拟试验，预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。然而，结构理论分析常基 于理想化的有限元模型，并以很多假定条件为前提，在进行风洞或振动台试验时对大桥的风环境和地面运动的模拟可能与真实桥位的环境不完全相符。因此通过桥梁健康监测所获得的实际结构动静力大型桥梁结构健康监测技术研究 - 2 - 行为，可以验证大桥结构分析模型、计算假定和设计方法的合理性。尤其重要的是，监测所得的数据和分析结论可用于深入研究大跨度桥梁及其环境中的未知和不确定性问题,为以后的设计和建造工作提供依据。 (3)改进设计规范，促进研究与发展。 桥梁健康监测带来的将不仅是监测系统和某种特定桥梁设计的反思，它还成为桥梁研究的现场实验室。从运营中的桥梁结构及其环境获得的信息不仅是理论研究和实验室调查的补充，而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实信息。 运营状态监测系统的开发和应用，有助于管理者发现早期结构病害，及时采取有效措施确保桥梁的安全使用并进行必要的维修以延长桥梁寿命；有助于促进技术人员对复杂桥型结构的深入认识，进一步完善相关设计与建造理论。 可以通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证大桥的理论模型、计算假定和设计方法的合理性，根据监测系统的反馈信息，改进结构设计方法和相应的规范标准。结合性能评估系统，通过获取的监测数据评估桥梁结构的基本状况和结构行为，定期或在偶发事件(如地震)发生后识别结构的损伤和关键部位的变化，对大桥结构生命期各阶段的承载能力和抗风、抗震能力等做出 客观、定量的评估。 综上所述，桥梁结构健康监测技术是被赋予了结构监测与评估、设计验证和同类结构的研究与发展三方面的意义。 1 2 大型桥梁结构健康监测系统的基本组成 大型桥梁整个结构安全健康监测系统包括四个部分内容1。 1 2 1 传感系统 该系统为硬件系统，根据对大桥整体结构的动静力分析，确定合适的感知元件以及传感器网络在结构中的布置方案，在整个大桥安装传感器及有关附件，包括有：风速仪、温度传感器、几何测量系统（位移计、水平仪、倾角仪） 、应变计、测力传感器等。功能为感知桥梁结构的荷载和效应信息, 并以电、光、声、热等物理量形式输出, 该子系统是健康监测系统最前端和最基础的子系统。 1 2 2 数据采集系统 数据采集通用软件平台有 +、 。主要功能是大型桥梁结构健康监测技术研究 - 3 - 收集由传感器传来的数据,进行数据的初步处理和储存； 然后通过光缆传到监测中心的数据处理和评估系统。 1 2 3 数据通信与传输系统 包括数据传输电缆/光缆，数模转换( A /D) 卡。将处理过的数据传输到数据分析与评估系统。 1 2 4 数据处理与评估系统 利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度等。传感器监测到的实时信号，经过采集与处理，由通信系统传送到这里进行分析和判断，从而对结构的健康状况作出评估。各系统间通过光纤网络联系而进行运作，其工作流程如图 1图 1作流程是：首先对桥梁结构系统输入荷载能量, 激励结构体系产生反应, 并通过各种测试仪器对结构反应进行监测, 得到测试数据后, 先完成数据处理, 再结合数值模型的先验知识对结构进行诊断,分析结构可能发生的损伤, 最后对结构的健康状态进行评估, 确定维修、养护对策。因此一个完善的结构健康监测 系统如图 1桥梁结构 传感系统 数据采集系统 数据通信与传 输系统 数据处理与评估系统 继续使 用 维修 激励 大型桥梁结构健康监测技术研究 - 4 - 图 1个完整的桥梁结构健康监测系统，利用传感器和数据采集传输系统对结构进行长期的在线监测，并应用数据处理与结构评估系统对监测信息进行分析，识别结构中的损伤，对结构状态进行评估。因此，健康监测系统中，上述四个子系统相互依赖，传感器系统是基础，数据处理和评估系统是核心，数据通信与传输系统是纽带，它们都是不可缺少的组成部分。 1 3 大型桥梁结构健康监测的发展现状 多年来，桥梁结构的安全状况一直是公众特别关心的问题。目前国内外许多桥梁都存在不同程度的安全隐患。比如西方发达国家在经济腾飞时期建造的大批桥梁面临剩余寿命评估问题， 其中美国的 69万座公路桥梁中有一半以上的使用年限已超过 5O 年，13 以上的桥梁使用效率很低或者干脆荒废，每年用于桥梁维修的费用超过 50亿美元。在国内，由于质量控制滞后于桥梁的建设速度，致使桥梁倒塌事故逐年增加。 20 世纪 80 年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长 522跨变高度连续钢箱梁桥 上布设传感器， 监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数大型桥梁结构健康监测技术研究 - 5 - 据网络共享。建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的 拉桥(主跨530m)、美国主跨 440m 的 拉桥、丹麦总长 1726624m 的 索桥、英国主跨 194塔斜拉桥以及加拿大的 。瑞士在混凝土桥 建设过程中也安装了健康监测系统。 我国自 2在香港的青马大桥上安装的保证桥梁运营阶段安全的“风和结构健康监测系统( ，监测作用在桥梁上的外部荷载(包括环境荷载、车辆荷载等)与桥梁的响应；在上海徐浦大桥、南京长江大桥等桥上也都安装了类似的结构状态监测系统。 东南大学结构健康监测研究所从 2002 年开始开展润扬大桥监测评估系统的研发、江阴大桥评估系统改造以及苏通大桥健康监测评估的科研咨询等工作。 1 4 大型桥梁结构健康监测的研究热点21 4 1 对于无损监测设备的研究 主要是传感器尤其是光纤传感器的研究。无损检测设备包括桥面板监测设备、桥梁宏观监测设备、裂缝监测设备和腐蚀监测设备几种。 从理论上讲用预埋的方式将灵敏度高易变性好等优点的传感器应用到桥梁健康监测是可行的，但是我国当前对桥梁监测的技术上还不完善，也没有建立中心控制系统。因此，在研究桥梁无损健康监测中，先将传感器预埋，进行随机实时的数据采集，然后与设计及施工完毕后所采集的数据进行比较、分析来确定桥的整体性能。 1 4 2 传感器的优化布设方面的研究 研究传感器的优化布设，通过合理布设来获取全面而可靠的信息。对于传感器优化布设的方法有许多种，各其应用的合适范围、优势和局限性。目前国内桥梁健康监测的传感器布设多采用传统的经验方法，在健康监测中如何通过对有限的传感器进行优化布设来获取最大的信息量，是对结构进行整体性能监测的关键。 1 4 3 智能桥梁系统( 研究 智能桥梁系统 以桥梁结构为平台，通过监测、环境监测、交通监控、设备监控、综合报警、信息网络以及分析处理诸系统以及它们之间的最优化组合，向管理者提供一套对桥梁结构的长期的实时使用状态综大型桥梁结构健康监测技术研究 - 6 - 合监控，以期提高大桥的整体管理技术水平，确保桥梁安全运营，预诊断桥梁病害，延长桥梁使用寿命。 智能桥梁的基本内涵是：以综合布线系统为基础，以计算机网络为桥梁，综合配置桥梁监测监控的各功能子系统，全面实现对桥梁的交通、环境、结构使用状态及桥梁内的各种设备(变配电、照明、除湿机械、消防、安全设施)等的综合管理。 自 20世纪 50年代以来，进行桥梁智能化监测的重要性就逐渐被认识，但受检测、监测的手段比较落后的限制，在应用上一直未得到推广和重视。能否在施工前设计好相关监测系统，在施工时安装相关元器件及设备，结合部分施工监控和大型桥梁必须做的成桥动静载试验，对桥梁结构进行全程监控这一问题还未完全解决。因此从真正意义上来讲，智能桥梁在我国尚未建成。 1 4 4 其他高新领域的研究3有人认为由于没有通过应变、位移数据来评估桥梁完整性的静态模型，所以建议用动态方法来确定结构的健康状态。他们认为监测的目的应包括设计验证、材料的完整性、环境和偶然事件影响、操作等，应结合静态和动态分析，来实现桥梁的局部和整体的完整性测试。他们已经将光纤传感器安装到多座桥梁上。 基于振动模态分析技术，国内外目前在桥梁监测的试验与研究中取得的进展主要反映在：通过强迫振动试验，能够分析模态参数对结构局部变化的反应；在车重、车速、路面及支承对桥梁模态参数的影响方面有深入的认识及理论上的依据，证明了用环境振动法进行桥梁自动检测的可行性；对适用于桥梁监测的结构状态敏感参数积累了理论认识和试验基础；在一定程度上能够利用测试的数据进行计算模型的修正。在处理方法上探寻了 、 、柔度矩阵法、矩阵摄动修正法、非线性迭代法以及神经元网络法等。这些方法各具特色，在局部的范围内都取得了积极的效果。 另外还有许多研究，例如:先进的桥梁测试和健康监测系统，包括全桥监测系统的无线电发送、用精确的差分式 全球定位系统(量桥梁变形、等；先进的疲劳裂纹探测和评估系统，包括测桥梁裂纹用的新型超声波和磁分析系统、热成像系统、便携式发射系统、无线应变测量系统、无源疲劳荷载测量设备和电磁一声发射传感器等；先进的锈蚀探测和评估技术、探测先张法压浆空隙的冲击入式锈蚀微传感器及以磁为基础的测量系统； 用强迫振动响应法定量评估桥梁下部结构、用激光振动计测量斜拉索索力及量化的无损检测方法与桥梁管理系统结合的课题。 大型桥梁结构健康监测技术研究 - 7 - 这些成就在桥梁健康监测与状态评估系统的研究开发中还属于基础性的探索，距离系统的目标尚有很大的 差距。这主要是由于：桥梁的结构不确定性因素和复杂的工作环境对结构模态响应的灵敏性造成了不利的影响，导致了目前桥梁整体监测的许多困难；对桥梁在使用年限内工作特性的变化缺乏全面深入的研究，难以建立客观统一的桥梁状态评估标准。所以整个技术的成功开发乃至系统目标的最终实现有赖于今后更好地结合桥梁的自身特性及工作环境讨论问题。 15 大型桥梁结构健康监测存在的问题 虽然现在国内外已经有不少大跨度桥梁上安装了健康监测系统，但在结构健康监测和结构状态识别的过程中，还存在许多理论和技术问题有待解决。 1 5 1 理论层面的问题 (1)对桥梁的状态评估缺乏统一有效的指标。目前,对大型桥梁状态评估的研究思路仍然沿用桥梁养护管理规范中的关于中小桥梁的定级评估方法,这是一种主要围绕桥梁的外观状态和正常使用性能进行的定性、 粗浅的安全评价方法,对大型桥梁能否合适,值得探讨。 (2)与健康监测系统配套的状态反演和损伤识别体系不健全， 由此带来的问题就是，面对实时监测得到的大量数据不知如何识别和评估结构的状态和可能发生的损伤； (3)结构系统的复杂性，增加了系统评估的难度。桥梁是由多种材料、不同结构组合而成的大型综合系统，系统中各个成分应力状态易损性不一，刚度、静动力特性相差很大。因此不能采用单一的指标去评估整个结构的状态； (4)缺乏对结构性能改变敏感参数的有效研究； (5)监控系统与管理系统未能实现无缝连接； 1 5 2 技术层面的问题 (1)缺乏有效的传感器优化布设方法， 需要寻求一套合理的布点方案，在含噪声的环境中，利用尽可能少的传感器获取全面、精确的结构参数信息；获得对动力模态参数变化最为敏感的时程记录；对结构易发生疲劳损伤的部位进行静力响应数据采集，从而使测得的数据能够与有限元分析的结果建立对应关系。 (2)开发适合桥梁结构检测的专用传感器是桥梁检测问题中的关键。 测量仪器的大型桥梁结构健康监测技术研究 - 8 - 精度不够以及效率低是困扰桥梁检测的一大难题。 (3)监测设备在一段时期的使用后出现大量损坏的问题, 如果对结构健康与安全监测系统。 1 5 3 桥梁健康监测研究方向 针对以上桥梁健康监测系统存在的问题，今后的研究方向是： (1)建立科学合理的桥梁健康诊断和状态评估系统是健康监测系统的核心。 目前的系统基本上都没有做到这一点。 。 (2)桥梁健康监测的项目、监测系统的模式要有所突破,不能拘泥于一种模式,根据桥梁本身特点和桥梁重要性程度,选择合理的桥梁监测项目和桥梁健康监测模式。不要一味的追求“高大全”,要本着经济、实用的原则设计健康监测系统。 (3)在监测手段上,要有所突破。这主要依赖传感器技术的发展。用于桥梁健康监测的传感器不仅要求本身的测试精度要高,还要求传感器的稳定性、耐久性要高,还要有良好的兼容性,以满足整个系统的数据通信的要求。 (4)桥梁健康监测系统的终端控制平台的设计要形象、简单,便于桥梁管理者们使用,系统地界面要形象地反映桥梁的工作状态、结构响应等。 (5)传感器优化布设的研究。 研究传感器的优化布设，通过合理布设来获取全面而可靠的信息。对于传感器优化布设的方法有许多种，各有其应用的合适范围、优势和局限性。目前国内桥梁健康监测的传感器布设多采用传统的经验方法，在健康监测中如何通过对有限的传感器进行优化布置来获取最大的信息量，是对结构进行整体性能监测的关键。 (6)桥梁健康监测系统的研究应和桥梁例行的养护、管理、检测有机结合起来,这是未来桥梁健康监测发展的趋势。 16 本文研究的主要内容 根据题目要求，以及整个桥梁健康检测系统的组成情况结合自己的兴趣，确定本设计的重点是监测系统中的传感器系统部分，主要内容如下： (1)传感器的选择。通过比较几种熟悉的应力传感器的结构、原理、特点以及应用，选择最适合的传感器类型。 (2)传感器的优化布设。在对目前传感器优化布设的原则、准则、以及计算方法的研究的基础上，设计建立一个以简支梁为研究对象的传感器优化布设模型。 大型桥梁结构健康监测技术研究 - 9 - (3)传感器的埋入。通过了解光纤传感器埋入的相容性条件，考虑传感器埋入对混凝土力学性质的影响和混凝土对埋入光纤传感器的影响，对比总结目前存在的埋入方法，从而选择最合适的传感器埋入方法。 大型桥梁结构健康监测技术研究 - 10 - 第二章 用于桥梁结构健康监测系统中的传感器 桥梁结构健康监测的前提是从结构中提取能反映结构特性的参数信号,如应变、应力、温度、挠度等局部或整体信号。对于桥梁系统来讲,最能反映系统局部特征建筑安全状态的是应变信号的变化,因此应变是桥梁和建筑工程监测与评价最为重要的参数。 本章正是基于桥梁结构在受到外界载荷的情况下，测量桥梁的应变，对各种应变传感器进行研究，包括结构、原理、特点等方面，从而选出合适的应变传感器。 21 用于桥梁结构监测的应变传感器的种类 用于桥梁监测的应变的传感器主要是： （1）电阻应变式传感器 （2）光纤 法珀) 应变传感器 （3）光纤光栅应变传感器 （4）分布式布里渊光纤传感器 下面分别介绍这四种传感器的结构、原理、特点以及应用 22 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、动作响应快、使用简便等优点。 221 金属电阻应变片的结构 金属电阻应变片式传感器是一种常用的电阻应变式传感器。 目前，常用的金属电阻应变片主要有金属丝式应变片、箔式应变片及金属薄膜应变片等结构形式。 金属丝式电阻应变片的基本结构如图 2由覆盖层、敏感栅、基片及引线四部分组成。 敏感栅是核心部件,由具有电阻应变效应的金属材料制成。敏感栅粘在由绝缘材料制成的基片上,其上的覆盖层保护敏感栅。 基片受力后发生形变,带动敏感栅变形,大型桥梁结构健康监测技术研究 - 11 - 于是敏感栅电阻产生变化。测得应变片电阻值变化量后,便可得到外力的大小。 图 2属丝式电阻应变片传感器的结构原理示意图 1敏感栅 金属丝式应变片的敏感栅由金绕制而成。 金属丝材料为电阻率 大而电阻温度系数 小的材料。 丝式应变片的规格一般以使用面积(Lb)和敏感栅的电阻值来表示。阻值一般在 501000 范围内，常用的为 120。 222 金属丝式电阻应变片的工作原理 金属丝式电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。通过测得电阻的变化可以得到应力的大小。应变片的一个重要参数是灵敏系数 K。下面我们对其作相应的介绍4。 设有一个金属电阻丝，其长度为 l，横截面积 A，电阻率 ，均随电阻丝的变形而变化。而 l、A、 的变化将导致电阻 每一可变因素分别有一增量dl、，所引起的电阻增量为 += （2 式中，A=r2，以电阻的相对变化为 = （2 式中，dl/l=电阻丝 轴向相对变形，或称纵向应变； d电阻丝电阻率的相对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关。 （2 其中 E电阻丝材料的弹性模量； 压阻系数，与材质有关。 dr/r电阻丝径向 相对变形，或称横向应变。 大型桥梁结构健康监测技术研究 - 12 - 当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者之间的关系为 （2 式中，电阻丝材料的泊松比； 将式（2、 （2入（2，则有 ）（ =+= （2 分析（2， （1+2）项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种材料， （1+2）是常数。于电阻丝来说，忽略。这样（2可简化为 ）（ 21 （2 式（2表明了电阻相对变化率与应变成正比。一般用比值 数=+= 21/ 用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度 之间。 223 电阻应变式传感器的特点 传统的应变测量一般使用电 阻应变片，这是基于电阻应变片用作传感材料具有以下优点： (1)短期内性能相对稳定，测量速度快，灵敏度高，测量结果可靠； (2)加工工艺简单，易制成适于结构的丝材，埋入结构中对结构不造成影响； (3)相配合的仪器成熟，易与计算机及其他设备兼容； (4)易于进行各种补偿； 电阻应变片的缺点有： (1)对于应力集中的部位的测量不够准确； (2)一般只能测量构件表面应变，难于显示其内部应变； (3)输出信号小，动态测量时，接线往往需要采取屏蔽措施以防止干扰。 (4)新的用于桥梁测量的传感器还没有获得足够的发展。 224 电阻应变式传感器的应用 北京昌平德胜口大桥用电阻应变式传感器进行桥梁结构静载试验；南昌滨江高大型桥梁结构健康监测技术研究 - 13 - 架桥用电阻应变式传感器进行动载试验。此外，国内外还用这类技术进行过大量桥梁静、动载试验，如上海南浦大桥静动载试验，日本大型悬索桥静载试验，香港青马大桥静、动载试验等等。 纤 感器 与传统的应变传感器相比, 光纤应变传感器具有一系列的优点: 稳定性可靠性好、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构简单、重量轻、便于与光纤传输系 统组成远距遥测网络等, 因此能够克服传统传感器的缺点, 在大型结构状态长期监测上具有无可比拟的优势。而其中的光纤法珀应变传感器由于制造工艺简单、价格低廉, 因而是最有发展潜力和应用前景的新型应变传感器之一。但要将其真正应用于大型结构的状态监测, 还必须研制出实用的测量系统, 进行大量的实际应用实验。 231 光纤 感器的结构及原理5光纤 两根单模光纤的端面加工成镜面后作为反射面，装入一个密封的玻璃毛细管内，并使它们严格平行、同轴，形成一个光纤 图 2纤 变传感器原理 当一束光通过光纤入射到法珀腔内时，会在两个端面分别反射并沿原路返回。若入射到法珀腔的光强为0I ，入射光的波长为 ，的腔长为 t，腔内介质的折射率为 n，则两束反射光相遇产生干涉后的输出光强似为： ） （2 当光纤 构的内部应变将使光纤 而改变输出光强和波长的分布。在解调时，通过光强或波长的变化得到 从而得到结构的应变量为： 大型桥梁结构健康监测技术研究 - 14 - （2 式中：233 光纤 变传感器的特点 与传统的传感器相比，光纤 (1)抗电磁干扰，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，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。 (2)灵敏度高。 利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中有的已由理论证明，有的已经实验验证，如测量水声、加速度、辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器。 (3)结构简单，重量轻，体积小。 (4)测量对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。 (5)温度影响小、长期稳定性好。 光纤 非常适合于大型桥梁长期监测中使用。但由于原理的限制，光纤法珀传感器的复用性能差，成为其在桥梁监测应用中的瓶颈。 234 光纤 变传感器的应用 目前，光纤 桥的5 个主断面上共埋设了 43 个光纤法珀应变传感器。如图 2大型桥梁结构健康监测技术研究 - 15 - 图 2变传感器的埋设 此外，该 感器还应用到重庆马桑溪长江大桥、高家花园嘉陵江大桥等多座大桥上。重庆马桑溪长江大桥，采用表面安装式光纤 个断面，每个断面为 4个，另外 8个传感器安装在主塔上。 红槽房公路桥的应变监测中也用到了光纤 槽房公路桥位于渝长高速公路上，光纤传感器安装在要求进行测试的大梁跨中位置，对两个桥跨进行应变监测。 24 光纤光栅应变传感器 近年来,光纤传感技术得到了迅速的发展，而光纤光栅传感技术则是光纤传感技术发展的最新阶段。光纤布拉格光栅是性能优良的敏感元件，它除了具有普通光纤传感器的优点外，其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。 基本原理是,当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率从而使光纤光栅的中心波长产生位移B，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。 241 光纤布拉格光栅的基本结构 光纤布拉格光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制，所谓调制就是本 来沿光线轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。 大型桥梁结构健康监测技术研究 - 16 - 图 2纤布拉格光栅结构示意图 光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂（通常是掺锗） ， 使芯层折率 成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布拉格光栅。布拉格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光（。 此中心波长称之为布拉格波长。所谓相位相匹配是指布拉格波长决定于折射率调制的空间周期和调制的幅度大小，用数学公式表示如下： = (2光栅的布拉格波长，光纤芯区的有效折射率（折射率调制幅度大小的平均效应） ， 为光栅条纹周期（折射率调制的空间周期） 。以上为折射率调制周期为均匀的情况。 光纤布拉格光栅的折射率分布与反射、投射特性如图 2于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释，首先由威廉布拉格爵士提出，因而这种光栅被称为布拉格光栅，反射条件称为布拉格条件。 图 2纤通过布拉格光栅能量分配示意图 242 光纤布拉格光栅的传感原理6 光纤布拉格光栅是一种波长选择反射器, 它所反射的中心波长的数学表达式为: 大型桥梁结构健康监测技术研究 - 17 - = （2 其微分形式可表示为 += 式中 为光栅的周期, 纤芯的有效折射率。 由式（2、 （2以看出，凡是能够导致光纤光栅有效折射率变化或者光栅周期变化的物理量均能引起布拉格波长的变化。当光纤布拉格光栅受到外力作用产生应变时, 光栅周期将发生变化, 同时有效折射率由于弹光效应也会发生变化，有效折射率的改变量为： PP ）（ += （2 式中i=1，2）为单模光纤的弹光系数；为光纤材料的泊松比；光纤布拉格光栅为均匀周期的光栅, 有 （2 所以光纤光栅产生应变时, 由两种作用导致的总的布拉格波长相对变化为 +=)(2 记 )(2= 为光纤的有效弹光系数, 则对于系数不同的光纤, 就可以计算光纤光栅的理论应变灵敏系数。 243 光纤光栅应变传感器的特点 光纤光栅( 感器测量桥梁应变的主要技术优势包括： (1)抗干扰能力强。由于布拉格光栅的波长编码特性，输出信号只受波长调制，所以光源强度等因素，都不能影响传感信号的波长特性。 (2)光纤光栅的材料是非金属材料，耐腐蚀能力强。 (3)可用于对外界参量的绝对测量（在对光纤光栅标定后） 。 (4)可靠性好、测量精度高、单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量，其测量点多，测量范围大。 (5)传感探头结构简单，尺寸小，埋入后对基体材料性能没有什么影响。 (6)光栅的制作工艺成熟，便于规模生产。 大型桥梁结构健康监测技术研究 - 18 - (7)测量结果具有良好的重复性。 尽管光纤布拉格光栅传感器具有上述优点，但是实际应用中还存在一些问题。应用中的问题如下： (1)由于光源带宽有限，而应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠，因此，可复用光栅的数目受到限制； (2)如何实现在复合材料中同时测量多轴向的应变， 以再现被测体的多轴向应变形貌； (3)如何实现大范围、高精度、快速实时测量； (4)当温度和应变同时发生变化时， 传感器本身无法分辨出两者分别引起的反射中心波长的变化；如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的，也即是如何消除或区分应变及温度交叉敏感问题； (5)光纤光栅传感器制作材料比较脆弱，所以它在使用过程中容易损坏；需要对其进行封装处理，研究开发出耐久性好的材料对其进行封装很有必要，以延长传感器的使用寿命； (6)目前， 普通的光纤光栅传感器的检测精度较传统的应变电类检测传感器相对要低些，研制开发出检测精度更高的适合桥梁的专用光纤光栅传感器势在必行，也是其广泛应用于未来桥梁结构健康监测系统的前提。 有效地解决上述问题对于实现廉价、稳定、高分辨率、大测量范围、多光栅复用的传感系统具有重要意义。 244 光纤光栅应变传感器的应用 1989 年, 美国布朗大学的 后, 美国、加拿大、英国、德国、日本的众多学者也将目光投向这一领域, 并开展了广泛而深入地研究。钢筋混凝土是土木工程领域应用最为广泛的材料, 通过对钢筋混凝土内部应力、应变的监测, 能够获得构件的强度储备信息以及构件所受实际载荷状况, 所以应力、应变监测成为光纤传感器在土木工程结构健康监测中最主要的应用。 1992 年 学的 人首次将光纤光栅埋入到混凝土结构中测量应变, 将最初应用于航空、航天领域的光纤光栅传感技术实际引入到桥梁工程中，这之后相关实验的实验研究很快就拓展到实际的各种大型工程结构。 1993 年, 加拿大科学家也将光纤布拉格光 栅传感器应用于桥梁结构, 型桥梁结构健康监测技术研究 - 19 - 大学的学者们把光纤光栅埋入了分别由复合材料、 钢筋加强的大梁内测量内部应变, 并利用光栅测得的数据比较新材料(碳纤维复合材料) 同传统材料(钢材)的工作性能。 人在美国新墨西哥州一座州际大桥上应用布拉格光栅传感器进行在线监测, 确定大桥受交通荷载作用时的应变水平和频率响应, 系统通过分析传感器探测到的资料可以确定交通车辆的数量和相对重量, 同时还能确定整个大桥的频率响应。 人在美国俄勒冈州的一座名为 大桥上利用光纤光栅对桥的两个需要进行补强的大梁进行监测, 以确定复合材料对大桥进行维修和补强的可行性以及复合材料长期的工作性能。 香港理工大学的 人则利用频率调制连续波( 术实现了光纤光栅传感器的应变准分布式测量, 成功获得了复合材料包覆混凝土梁接口处的应变。 近年来, 国内上有关光纤光栅传感器应用于这一领域的研究活动非常活跃, 也取得了相当多的实用成果。 布式布里渊光纤传感器 人们一直在寻求应变测量的各种方法，随着科学技术的发展，对应变的测量也提出了更高的要求。 70 年