（岩土工程专业论文）光纤传感技术在土木工程中的应用.pdf

y7 7 8 7 6 s一一光纤传感技术在土木工程中的应用岩土工程专业硕士研究生：雷运波指导教师：刘浩吾摘要本文从光纤弯曲损耗理论和b r a g g 反射理论出发，研讨了分布式裂缝光纤传感系统和光纤b r a g g 光栅传感系统的工程应用。针对分布式光纤裂缝传感器，论述了其传感的基本理论微弯损耗理论。在此基础上进行了力光本构关系模型试验，光纤对外界温度，纵向拉伸等因素的敏感性试验以及埋设工艺试验。在讨论光纤b r a g g 光栅系统的传感原理的基础上，将光栅传感系统用于组合桥面板模型试验。建立力光本构关系模型是分布式光纤裂缝传感在土木工程中应用的一个关键，为此构建了数字化、全自动的高精度力一光试验系统。该力一光耦合试验系统包括以下两个子系统：力学系统和光学系统。力学系统的主要组成为m t s 8 1 5 型岩石一混凝土力学试验系统，主要提供加力系统和记录裂缝；光学系统为激光光源和光功率计组成，主要采集光学信号的变化。在分布式光纤裂缝传感的拉伸敏感性试验以及光纤b r a g g 光栅的敏感性试验过程中采用i n s t r o n - 4 3 0 2 数字式拉伸试验机( 美i n s t r o nc o ) 作为力学系统，主要是拉伸光纤光栅，并记录伸长量。在分布式光纤裂缝传感的温度敏感性试验中采用了光学和数字式控温箱的组合试验系统。通过试验研究，并在此基础上成功地将光纤传感应用于工程结构的模璺 试验中。本文得出了如下结论：1 、可以利用光纤微弯损耗理论监测砼裂缝，分布式光纤裂缝传感不受环境温度等因素的影响，通过模型试验建立了分布式光纤裂缝传感的力一光本构关系模型。2 、分布式光纤裂缝监测灵敏度较高、缝宽分辨率及定位分辨率高。3 、在工程应用中，分布式光纤裂缝传感与传统监测设备相比较，它可以检测结构的无限多自由度的物理参数分布，是传统的机械类、电子类微电子类等分立型器件无法实现的功能，真正实现了分布式监测。4 、可利用光纤b r a g g 光栅原理制成光纤裂缝传感器、光纤滑移传感器以及光纤掀起传感器等多种传感器，其具有灵敏度高，实用性强，抵抗破坏能力强，埋设存活率高等优点。5 、光纤b r a g g 光栅传感系统的结构简单化，以光栅应变传感头为核心，可构成传感网络，实施准分布式监测，监测容量大，检测可靠、稳定，不受光强、链路损耗等波动影响。6 、该系统已经应用于钢砼组合桥面板的模型试验中，检测到结构的应变，特别是成功地检测到钢一砼界面损伤( 包括滑移、掀起) 和桥面板的砼裂缝，而这种损伤是传统的传感器无法检测到的。这一结果表明，光纤b r a g g 光栅传感系统应用于钢一砼组合结构的安全检测是具有明显的优势。关键词：分布式传感光纤，光纤b r a g g 光栅，传感器，土木工程安全监测，砼裂缝。模型试验，钢砼组合结构i ia p p l i c a t i o no fo p t i c f i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yt oc i v i le n g i n e e r i n gm a j ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gs u p e r v i s o r ：l i uh a o w ha b s t r a c tb a s e do nt h et h e o r yo fo p t i c f i b e rb e n d i n ga t t e n u a t i o na n db r a g gg r a t i n gr e f l e c t i n gt h e o r y , t h i sp a p e rs t u d i e dt h ea p p l m a t i o no fd i s t r i b u t e df i b e rc r a c ks e n s o rs y s t e ma n db r a g gg r a t i n gs e n s o rs y s t e mt oc i v i te n g i n e e r i n g a sf o rd i s t r i b u t e df i b e rc r a c ks e n s o rs y s t e m , d i s c u s s e di si t sb a s i cs e n s o rt h e o r y - - m i c r o - b e n d i n ge f f e c tt h e o r y ，w h i c hl a y st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h em o d e lt e s t so fm e c h a n i c s - o p t i c sr e l a t i o n ，t h es e n s i t i v e n e s st e s t so ff i b e rt ot h es u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r e ，l o n g i t u d et e n s i o na n do t h e rf a c t o r s 。a sw e l la st h ef i b e re m b e d m e n tt e c h n i q u e t h ee s t a b l i s h m e n to ft h em e c h a n i c a l o p t i cc o n s t i t u t i v em o d e li st h ek e yt ot h ea p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e df i b e rc r a c ks e n s i n gi nc i v ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e s t h u sad i g i t a la n da u t o m a t i ct e s ts y s t e mf o rt e s t i n gm e c h a n i c s o p t i c sr e l a t i o nw a sf o r m e d t h i sm e c h a n i c s o p t i c sc o u p l i n gt e s ts y s t e mi n c l u d e st w os u b s y s t e m sa sf o l l o w s ：m e c h a n i c a ls y s t e ma n do p t i c a ls y s t e m t h em e c h a n i c a ls y s t e mc o n s i s t so ft h et e s ts y s t e mo fn i t s 8 1 5r o c k - c o n c r e t em e c h a n i c st e s t m a i n l yp r o v i d i n gl o a d i n gs y s t e ma n dr e c o r d i n gc r a c k s a n dt h eo p t i c a ls u b s y s t e mc o n s i s t so ft h es o u r c eo fl a s e rl i g h ta n dt h eo p t i c a lp o w e rm e t e r , c h i e f l yc o l l e c t i n gt h ec h a n g e so ff i b e rs i g n a l s i nt h et e s tp r o g r e s so ft h et e n s i l et e s tf o rd i s t r i b u t e df i b e rc r a c ks e n s i n ga n df i b e rb r a g g舒a t i n gs e n s o r s ，i n s t r o n 一4 3 0 2d i g i t a lt e n s i l et e s tm a c h i n ew a su s e da st h em e c h a n i c a ln is u b s y s t e m ，u s e dt oe x t e n dt h ef i b e ra n dt h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s a n di nt h et e m f i e r a t u r es e n s i t i v e n e s st e s tf o rd i s t r i b u t e df i b e rc r a c ks e n s i n g ，t h ec o m b i n e ds y s t e mo fo p t i c a la n dd i g i t a lt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gb o xw e r ea d o p t e d -b a s e do nm o d a lt e s t s ，t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o nr e s u l t so ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r st om o d e le x p e r i m e n t so fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sw a sc a r r i e do u t ，s o m ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w ni nt h et h i sp a p e ra sb e l l o w s ：1 f i b e rm i c r o - b e n d i n ge f f e c tt h e o r yc a nb eu s e dt om o n i t o rc o n c r e t ec r a c k s a n dt h ef i b e rc r a c ks e n s i n gs y s t e mi si n f e c t e db ys u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r ef a c t o r u s i n gt h em o d e lt e s t s ，t h em e c h a n i c a l o p t i cc o n s t i t u t i v em o d e lo ft h ed i s t r i b u t e df i b e rc r a c ks e n s i n gh a sb e e nb u m 2 h i 【g hs e n s i t i v i t ya n dg o o dd i s t i n g u i s h i n ga b i l i t yo fc r a c kw i d t hr e s o l u t i o na n dl o c a l i z a t i o na r et h ec h a r a c t e r s o ft h ed i s t i l b u t e df i b e rc r a c ks e n s i n g 3 i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h ed i s t r i b u t e df i b e rc r a c ks e n s i n gr e a l i z e sd i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g ，w h i c ha r eu n a b l ea n di n c o m p a r a b l ef u n c t i o n sf o rt r a d i t i o n a ls e n s o r sa n do t h e rs e p a r a t e da p p a r a t u s 4 b yu s eo ff i b e rb r a g sg r a t i n gt h e o r y , f i b e rc r a c ks e n s o r s ，f i b e rs l i ps e n s o r s ，a n df i b e rl i f es e n s o rc a nb em a d e t h e s es e n s o r sa r ec h a r a c t e r i z e db yt h e i rh i g hs e n s i t i v e n e s s ，g o o dp r a c t i c a b i l i t y , s t r o n ga n t i d e s t r o yc a p a c i t ya n dg r e a tl i v a b i l i t yo fe m b e d m e n t 5 t h ef i b e rb r a g gr a s t e rs e n s o rs y s t e mh a sv e r ys i m p l es t r u c t u r e ，w i t hag r a t i n gs t r a i ns e n s o rh e a da st h ec o r e i tc a nb ep r o d u c e das e n s o rn e tt oi m p l e m e n tq u a s i d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n g ，w h i c hh a st h ea b i l i t yt ot a k el a r g ec a p a c i t yt e s t sw i t ht h ea d v a n t a g e so fc r e d i b i l i t y , s t a b i l i t y , f r e eo ft h ei n f l e c t i o no fl i g h ts t r e n g t ha n da t t e n u a t i o no ft h es y s t e m 6 t h es y s t e mh a sb e e nu s e di nt h em o d e lt e s t so ft h es t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t ei v一一b r i d 站d e ck ，a n dt h es t r u c t u r a ls t r a i n se s p e c i a l l yt h ed a m a g e0 ft h e8 t e e l 。o n c r e t 。i n t e r f a c ei n c l u d i n gs 1 巾a n dd i s e n g a g i n g ( 1 i f t ) a n dc o n e r e t ec r a c k 8o ft h ed e c kh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yd e t e c t e d ，t ot h ee x t e n tt h a tt r a d i t i o n a le q u i p m 。n tc a l ln e v e r0 rh a sl i t t l ep o s s i b i l i t yt om e a s u r et h i sk i n do fd a m a g e 8 t h er e s u i t ss h o w 由a tt h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r8 y s t 。mh a sm a n ya d v 心g e sf o rt h es a f e t ym o n i t o r i n go ft h es t e e l c o n c r e t ec o m p o s l t es t r u c t m s k 蟛w o r d s d i s t r i b u t e do p t i c f i b e rs e n s i n g ；f i b e rb r a g gg r a t i n g ；8 e n s o r ：m o n i t o r i n gn fc i v i le n g i n e e r i n g ；c o n c r e t ec r a c k ；m o d e lt e s t ；s t e e l c o n e r e t ec o m p o s i t es t r u c t u r ev四川大学硕士学位论文第一章绪论1 1 光纤传感器的发展史及研究现状光纤( o p t i c a lf i b e r ) 是2 0 世纪后半叶人类的重要发明之一。它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光测技术，即光子学新领域【l l 。光纤和光学通信技术的迅速发展，引起了各界人士的关注，人们试图将这一新技术成果用到各自的领域，光纤传感就是在这种情况下出现的。光纤传感是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术。随着现代物理光学的最新成果的取锝和材料学以及加工技术的进步，光纤健感理论与技术褥到了进一步的发展，为研究、开发高精度、高效率的自动化测试仪器和系统开辟了一条新的途径。1 9 6 6 年，英国标准电信研究所的英籍华人高锟( k c k a o ) 博士和霍克哈姆( g a h o c k h a m ) 博士就光纤的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文提出将玻璃中过渡族金属离子的含量( 重量比) 降低到1 0 缶以下，光纤的吸收损耗可以降到t o a b k m ，这篇论文激励了大量科技工作者为研制出低损耗的光纤而努力嵋捌。1 9 7 0 年，美国康宁公司用高纯石英拉制成损耗为2 0 d b l o n 的多模光纤，证实了高锟等人的设想，这标志着低损耗光纤的出现，也为光纤通信提供了可能。随着工艺方法的不断改进，减小了光纤中杂质对光波的吸收，光纤损耗不断降低，石英光纤的损耗在波长1 3 1 肋z 达到了0 s d s 拥，在波长1 5 5 o n 达到了o 2 d s 拥。目前正在研制的氟化物玻璃光纤，通过降低光纤中的瑞利散射能将光纤损耗在波长2 5 # 抑降低到0 0 l 0 0 0 1 棚向霄 4 】。二十年来，光纤衰减降低了两个数量级，带宽成倍增加，光纤的机械性能不断提高，用于传感技术的特殊光纤也开始研制。伴随着光纤技术的发展，相关领域与技术也不断的进步，特别是新光源和新光敏元件得以不断的实用化，郝为光纤应用领域的扩展提供的条件。光源是光纤传感系统中不可缺少的器件，宽带光源更是光纤传感尤其是分布式光纤传感中的重要器件，传感解调系统对光源要求有较大的带宽和较强的输出功率。实现宽带光源的技术有：基于半导体工艺的发光二极管( s l d ) 和基于参杂光光纤传感技术在土木工程中的应用纤的超荧光光源( s f s ) 。敏感元件是光纤传感系统另一个不可重要的器件，如雪崩二极管( a p d ) ，发光二极管( l e d ) ，光纤耦合器件等。这些都促进了用于通信目的光纤应用到传感领域中来，并开始应用于土木工程、水电工程以及一些大型基础设施的变形监测及健康诊断方面，从丽形成了光纤技术的一个新的分支光纤传感技术【5 j 。光纤传感器开始于航空工业，美国在光纤传感器方面研究最早，投资也最大。1 9 7 7 年，美国海军研究所( n r l ) 开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器的出现，随后美国宇航局( n a s a ) 、西屋电气公司、斯坦福大学等2 8 个单位也相继开始从事光纤传感器的研究，并取得了相当的成果。8 0年代初，德国、英国、法国等欧洲国家以及日本也开始了光纤传感器方面的研究，到8 0 年代中期，光纤传感器已达数百种，并开始用于国防、科研及制造等行业，更有部分形成产品化投入市场，但当时大量的都还处于试验阶段圈。目前，国外的非通信光纤的研究已经达到了相当的水平，正在开发和研制光纤传感器使用的特殊光纤，如，极低双折射单模光纤，高双折射光纤以及参杂光纤等。在光电子学元器件的稳定性和可靠性方面也不断提高，研究噪声小的光纤传感器检测器件 7 , 8 1 。我国1 9 8 3 年国家科委新技术局在杭，1 4 召开了光纤传感器的第一次全国性会议，随后，研究工作开始在高等院校和研究所进行，研究内容着重于光纤电流传感器。以后工业部门和一些省、市相继对光纤传感技术作了规划。在此基础上，1 9 8 5 年1 月国家科委召开了全国光纤传感器技术“七五”规划座谈会。会议提出了1 5 项光纤传感技术科研项目。预计实现这一规划后，我国研制的光纤传感器产品将达到美、日等国8 0 年代初、中期产品的水平。目前，我国研究的光纤传感器用于测量电流、电压、磁场、温度、压力、位移等物理量，也取得了初步成果，并开始了用于光纤传感器的特殊光纤、光源和敏感元件方面的研究，研究工作也不仅在高校和研究所进行，一些科技公司也集中部分科技工作者进行了研制和开发【9 l 。光纤通信改变了信息传输的手段，是通信史上的一次重大变革，它已经成为现代信息社会的坚实基础。光纤传感作为一种新的传感技术是光电学的新领域，它以其体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰强、可传输距离远以及寿命2四川大学硕士学位论文长等一系列有点，弥补了传统的传感技术的不足，在军事、石油以及大型土木工程中发挥了作用1 1 0 l 。该技术的产业化和多个工业领域的进步和发展，将给多个领域提供一种新型可靠的监测手段。1 9 7 8 年含锗光纤的光敏性被发现，随后在1 9 8 9 年紫外写入技术发明开始在光纤光栅中应用，从此，光纤光栅受到了世界各国研究机构的广泛重视。通讯方面的应用极大地推动了光纤光栅技术的发展。其中，布拉格光栅传感器( f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r ) 在土木工程中极其常用，它的传感原理是基于光纤光栅布拉格波长漂移理论。1 2 光纤的基本结构和分类1 2 1 光纤的基本结构咒纤是一种高度透明的石英( 或其它光学材料) 经复杂的工艺拉制而成的光波导材料。光纤的结构如图1 1 所示，为典型的同轴圆柱体，通常由纤芯、包层、涂敷层和护套组成。其剖面结构如图1 2 所示。纤芯和包层为光纤的主体，对光波的传播起着决定性作用。涂敷层和和护套对光纤主要起保护作用，同时起着隔离杂光，提高光纤的机械强度，防潮等功能。在某些特殊的应用场合下，成型光纤只有纤芯和包层，为裸体光纤，简称裸纤。纤图1 1 光纤结构示意图图1 2 光纤的剖面结构3光纤传感技术在土木工程中的应用纤芯直径一般为5 7 5 脚，特殊应用时可达到6 0 0 p m ，纤芯材料折射率较高，主要成分为二氧化硅( s i 0 2 ) ，其中掺杂极少量的其它材料，如二氧化锗( g e 0 2 ) 、五氧化二磷( p 2 0 5 ) 等，以提高纤芯的光学折射率。包层为紧贴纤芯的材料层，其光学折射率略低于纤芯材料的折射率。包层总直径一般约为1 0 0 2 0 0 g n ，其构成材料一般为纯二氧化硅，有时也掺杂微量的三氧化二硼( b 2 0 3 ) 或是四氧化二硅( s i 2 0 4 ) ，以降低包层的折射率。涂敷层的外径约为2 5 0 p r o ，材料一般为硅酮、丙烯酸盐或是环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，用于隔离杂光。护套的材料一般为尼龙或是其他的有机材料，用于增加光纤的机械强度，保护光纤。1 2 2 光纤的分类光纤的有多种分类方式，可以按照横截面上的折射率分布、传输的模数、材料成分、制造方法等方面进行分类，通常情况下光纤采用光纤横截面上的折射率分布和光纤的传输总模数进行分类。1 ) 按光纤横截面上的折射率进行分类对于单包层光纤，根据光纤横截面上折射率的径向分布，光纤可以分为均匀光纤( 也称阶跃光纤) 和非均匀光纤( 渐变型光纤) 。均匀光纤的特点是纤芯折射率 。和包层折射率n ：均为常数，其折射率径向分布函数为州= 仨糍t a 主：；【n 2 ，s 卢j式中，a 为纤芯直径。b 为包层直径，r t ，。非均匀光纤纤芯的折射率n ，沿径向按一定规律递减，直到纤芯与包层的交界处为止。在纤轴处，折射率最大，即”( o ) = n 。；在纤壁处，折射率最小，即h q ) = n ：，包层的折射率也为，l ：，其折射率分布可以表示为：。：一2 。，m ) 】2【n 2r dn ：y 号+ c o s 莩( 言 弋警7 嚣+ 1式中，b 为平板的半厚。设沥青砼材料a - - o 0 0 2 m 2 ，i l ，不难求得t = 1 4 0 0 8 这样，光纤埋设处的温度上限t 一为z 孟= 五+ t = i o 手1 4 0 j 0 8 = 1 5 0 0 8 = 1 5 0 c因此，光纤承受高温的效应实验的温度上限取为1 5 0 ( 2 。为了解升温对光纤性能影响的趋势，测试额定温度( 7 0 ) 与上限温度( 1 5 0) 之间的中点温度( 1 1 04 c ) 及上限温度( 1 5 0 c ) 情况下光纤性能的变化。试验中，受温光纤长度取为3 0 m ，采用高精度光功率计，测定光纤在升温一持续高温降温三个过程中的导光功率的定量变化，以确定光纤导光性能的高温效应及其变化规律；升温、降温过程各为3 h ，高温稳定8 h ，共1 4 h 。温度上限1 1 0 c 、1 5 0 c 两次实验i 型和型光纤( 其高稳定光源信号，第一次输出功率各为1 3 4 9 a j 和4 1 0 p o j ；第二次输入功率各为2 3 4 9 0 j 和1 5 l 丘翻)的测试结果见图3 1 9 、3 2 0 。光纤传感技术在土木工程中的应用接收功率( i , t * )引一广宦l o l图3 2 0 温度对光纤性能影响图根据实验测试结果易见，1 1 0 1 5 0 高温对单模光纤的导光性能无实质性影响。其输出功率几乎完全无波动。3 4 3 光纤拉伸敏感性试验当光纤采用补埋法埋设对，则切槽回填的水泥砂浆凝固后呈细长条状，当其出现干缩时，存在着产生横向裂纹( 或裂缝) 的某些潜在的可能性( 尽管膨胀剂会减少这一风险) 。四川大学硕士学位论文令人关注的问题，这种在施工期的横向裂纹( 或裂缝) 会否产生局部高损耗? 从而会引起对砼裂缝的误判。易见，横向裂纹引起光纤变拉，而并不产生微弯。为此，需要进行光纤受拉的损耗增长实验，确定损耗对轴向拉伸的敏感性。实验方法是采用高精度拉力机一一i n s 们n 4 3 0 2 数字式拉伸试验机( 美i n s t r o nc o ) 拉伸光纤，同时在拉伸过程中检测光纤的损耗增长值。对i 型和i i 型康宁光纤的实测结果如图3 2 1 所示，表明损耗随拉应变的增长很缓慢，亦即光纤损耗对拉伸很不敏感，故回填砂浆万一产生横向裂纹时，不致产生局部高损耗。0 0 0 o 一一一：r 一，一t00 1 1 5 50 2 7 8n 3 q 7 1图3 2 l 光纤应变一损耗图光纤传感技术在土木工程中的应用第四章光纤光栅传感器4 1 光纤b r a g g 光栅传感器基本原理4 1 1 光纤光栅传感器的结构光纤b r a g g ( 布拉格) 光栅是通过改变光纤芯区折射率，产生小的折射率的周期性变化而形成的，如图4 1 所示。光纤光栅折射率变化通常在1o _ 5 一1 0 4之间，将光纤置于周期性空间变化的紫外光光源下即可在光纤芯中产生这样的折射率变化。用于制作这种光纤光栅的主要技术之一是利用两个相干紫外光束形成的空间干涉条纹图来照射光纤，这样就在光纤芯部形成了永久的周期性折射率调制。图4 1 光栅示意图光纤芯中的折射率调制周期由下式给出 2 9 ：忙东函( 4 1 )2 s i n ( 日2 )、t “式中，a 是紫外光源波长，6 是两相干光束之间的夹角。对于掺锗硅酸盐光纤纤芯，2 4 8 m m 和9 3 m m 是用于制作光栅的两个典型紫外光波长。四川大学硕士学位论文4 1 ，2 光纤光栅传感器的工作原理光纤光栅能将入射光中的某特定波长的光反射，物理学家w b r a g g ( 布拉格) 发现，光栅反射的峰值波长( b r a g g 波长) 满足3 伽：厶= 2 n d a( 4 2 )式中；h 为反射光波长，n 。，为光栅的有效折射率；a 为光栅周期。式( 4 2 )称为布拉格条件。满足此条件的光纤光栅称为光纤b r a g g 光栅( b - b g ) 。对上式，可得：4 屯= 2 ，l 玎4 ( 4 - 3 )表示当纤芯长度变化，从而导致光栅周期变化( 厶a ) 时，反射波长会偏移。如图4 2 ，在光栅的反射谱图中反射光为一个尖峰，其中心波长为b r a g g 波长，当光纤轴向长度变化时，反射波长出现偏移h 。光强国4 2 光栅厦射波长偏移示意图使光纤长度变化的典型物理量是应变和温度增量t ，有：2 8 = 2 n , 扩a l _ 扣：砷喁扣割t h 4 ，式中，埯为光弹性张量的普克尔压电系数，“泊淞比，o 热膨胀系数。故只要测出波长偏移量h 且无温度变化或有温度变化时进行温度补偿，即可测出皿光纤传感技术在土木工程中的应用4 1 3 光纤b r a g g 光栅传感系统光纤b r a g g 光栅系统为准分布式系统，如图4 3 所示，系统为一根光缆上串联n 只光纤光栅传感器( f b g ) ，每只传感器的中心波长( ，2 ，a 。) 互不相同，与待测结构沿程各测量点( 1 ，2 ，n ) 相对应。主机宽带光源发射宽带光，入射于f b g 阵列，随即接收各个f b g 的反射光，待测结构沿线分布各点的应力应变使光栅反射波长发生改变，通过f b g 解调器探测其波长改变量的大小九b 。，并将之转换成电信号，由二次仪表计算出待测结构的各个测点的应力应变的大小及整个待测结构的分布状态。光栅解调仪检测反射波长的分辨率达l p m ( = l x l f f 9 m m ) ，对应变测试的分辨率达1 a e 。1 f 兴l 上j l 一应变场光栅、iiiiif叫廿+ + r - 卅一卅i fi i 卜卅卅斗h 州卅hh * 11 3 - ) 3 ) _ 图4 3 光栅系统示意图4 1 4 光纤b r a g g 光栅传感系统优点( 1 ) 检测可靠、稳定：传感机理基于波长编码，不受光强、链路损耗等波动影响。( 2 ) 分布式检测功能：多路构成传感网络，容量大，可实施准分布式检测。( 3 ) 传感系统的结构简单化，以光栅应变传感头为核心，可测多种材料( 混凝土、钢等等) ，多种参量( 滑移、掀起、裂缝、振动) ，统一使用一台主机。( 4 ) 灵敏度高，频带宽4 0网川大学硕t 学位论文4 2 光纤b r a g g 光栅传感系统在土木工程中的应用研究状况4 2 1 国际上的研究应用情况国际上将光纤传感器用于大型工程结构的健康监测时间不长，目前正处于从萌芽到发展的过渡期。1 9 8 9 年，美国布朗大学( b r o w nu n i v e r s i t y ) 的门德斯( m e n d e z ) 等人首先提出了把光纤传感器用于混凝土结构的健康监测t 3 2 j 。之后，日本、英国、美国、德国等许多国家的研究人员先后对光纤传感系统在土木工程中的应用进行了研究。日本、美国、和瑞士的光纤传感器在土木工程中的应用领域相对较广泛，已经从混凝土的浇筑过程扩展到桩柱、地基、桥梁、大坝、隧道、大楼、地震和山体滑坡等复杂系统的测量或监测。i d r i s s 等联合美国联邦公路局在新墨谣哥州的r i op u e r e o 桥上安装了4 0 个s o f o 位移光纤传感器和2 4 个温度传感器，光纤传感器在浇筑前预埋入结构中，用于监测预制梁的预应力损失。结果表明，浇筑温度对早期混凝土的预应力损失影响非常大，浇筑温度越低，其预应力损失越严重 3 3 侧。k r o n e n b e r g 和g l i s i c 等在瑞士和法国边界一个发电站水库的大坝( e m o s s o nd a m ) 上安装了光纤传感器。由于些原有的传感器操作不方便，对温度、湿度和电磁场等敏感，安装困难，所以用光纤传感器取代传统的传感器来测量坝体的裂纹和基础的位移。安装了两根超长位移计，一根长3 0 r n ，另一根6 0 m 。测试结果表明光纤传感器与原来的杆式伸长计结果非常吻合，测量结果更精确，更灵敏。唯一的缺点是需要约6 0 天左右的传感器校正时间，用于调整光纤传感器涂覆层在运输过程中的变形。i n a u d i 等在一个现存的隧道旁3 0 m 距离处修建的另一个隧道壁上安装了8 个距离不等的光纤伸长计，安装位置为从已存的隧道在通向新隧道的小孔洞中，用于监测修建隧道时土石的受压情况。测量结果表明，距离隧道钻孔机( 即新隧道位置) 较近的光纤伸长计有较大的应变，伸长计的变形量与距新隧道垂直距离的远近呈指数下降趋势。i n a u d i及他们的小组到2 0 0 1 年为止在约9 年时间内共在桥梁，水坝，隧道，发电站等7 0 多个不同场合成功安装了约1 5 0 0 个光纤传感器，用于检测结构的应力、应变、振动、损伤和裂缝等或者进行大型结构的健康监测，其中9 5 1 0 0 都达到了预期的设计功能。p i e k o 等详细探讨了布拉格光栅光纤( f i b e rb r a g gg r a t i n g4 1光纤传感技术在土木工程中的应用s e n s o r ) 传感器的原理、检测方法、应变与温度信号分离的各种解决办法，并指出光纤地震检波器，光纤地震仪等可以用于测量岩石变形，隧道监测和地震测量。u d d 等在一座桥上安装了布拉格光栅光纤传感器，测试结果表明，该传感器不仅可以监测车辆的行驶速度，而且可以称量运动中车辆的重量，对交通流量进行分类，其灵敏度竞可以检测到桥上人的行走。在地下工程和采矿业中，光纤光栅传感器也同样发挥着作用。在这个领域，岩石形变的静态测量受到特别的关注，因为地下挖掘和爆破一般会造成周围底层的应力体系变化，这可能引起周围环境不稳定从而威胁工人的安全并造成破坏。德国的g f zp o t s d a m 开发了一种地下岩石挖掘过程中测量应变的光纤光栅传感器f b x 地脚螺栓，可用于探测岩石构成和岩石工程结构中的静态和动态应变，这些结构包括隧道、洞穴、坑道、或者深层地基。这种传感器很有希望用于监视复杂的地质数据场，如恶劣环境条件下的位移、应变、应力、压力和温度。目前用于民用工程结构监测的光纤光栅传感器已经逐步商品化，美国的b l u er e s e a r c h 就生产商用的光纤光栅传感器。其中生产的埋有横向光纤光栅传感器的承重元件可用于桥梁、隧道、公路的结构应变监测，同时可测量车速，控制交通；生产的灵巧垫圈埋有光纤传感器，可以用来监测结构关键部位的螺丝承重情况。另外加拿大的r o t e s t 公司研制的白光法布里一珀罗光纤传感器，这种传感器用于桥梁结构中的应力、应变、结构振动、结构损伤程度、裂缝的发生与发展等内部状态的检测，取得较好的测试结果。4 2 2 国内的研究应用情况国内在光纤光栅传感器方面的研究工作相对国外而言，做得较少。从9 0年代，我国才开始了光纤传感技术的应用研究，其中主要集中在理论分析和误差计算方面，也有少量关于系统和技术研究方面的报道。我国代表性的有重庆大学等单位的研究成果。他们提出“一种基于成像光谱技术的w d m 解调方案”，该方案是将来自反射光栅的光射人工业摄像机的c c d 面阵上，经图像卡数字化处理后，可得光纤光栅成像位置和光纤应变的关系：南开大学现代光学研究所利用弹簧管对压力的机械放大作用，制成了一种四j i l 大学硕士学位论文光纤光栅弹簧管压力传感器，提高了光栅对压力测量的灵敏度；哈尔滨工程大学的苑立波教授依据白光干涉原理设计了光纤传感器，通过比较光程差的方法来间接地测量传感器长度随桥索压力、应变的变化特性：清华大学电子工程系的廖延彪教授建立了一种新的波长干涉仪实验系统，系统中采用了波长扫描光源，并用了两个准直结构的法布里一珀罗干涉仪，一个作为参考干涉仪，另一个作为传感干涉仪，从而实现了较大范围的绝对距离测量，并放宽了对于光源稳定性、扫描重复性的要求，使系统在距离的长期监控测量方面较现有的其它测量方法具有更大的优势。将各种光纤传感器埋人建筑结构、桥梁、水坝等大型土木工程结构中，可有效地检测结构的应力、应变、振动、损伤和裂缝等，如在黑龙江省呼兰河大桥上的应用【3 5 1 。呼兰河大桥全长4 2 0 米，上部最大的跨度为4 2 米，是目前国内较大的预应力钢筋混凝土箱型梁桥。由于该桥旌工复杂、工期短、跨度较大、交通流量较大和冬夏温差很大等原因，对其进行健康监测具有一定的代表性和必要性。在黑龙江省交通厅的支持下，哈尔滨工业大学土木工程学院研究人员于2 0 0 1 年5 月与l o 月成功地将1 5 个裸光纤光栅布设到4 2 米跨的预应力箱型梁上，在旌工与试车阶段监测箱型梁的受力与安全状况，在大桥服役阶段监测通车流量和桥梁的疲劳损伤状态，同时研究了光纤光栅现场布设技术，监测了箱型梁预应力张拉过程，并对箱型梁进行了加载试验，并经过测试取得了令人满意的测试结果。光纤传感技术在土木工程中的应用第五章光纤光栅传感器用于钢砼组合桥面板模型试验的检测5 1 光纤b r a g g 光栅检测钢板一砼组合桥面板模型的破坏情况5 1 1 检测项目钢砼组合结构是一种新型结构形式，它可以发挥钢与砼两种材料自己的优势，承载能力强，且施工方便，其应用日渐广泛，如用于钢混凝土组合桥面板，板厚仅约1 2 硎，可大大的减轻桥面板的自重。桥面板及铺装层的工作状态直接影响大桥结构的耐久性和行车的舒适性。在这里，作为组合结构的钢一混凝土的共同工作性能起着关键作用，即钢一混凝土界面的粘结状态是组合桥面板的整体性和承载能力的基本条件。为此需用模型试验方法，研究在疲劳荷载作用下混凝土与钢板的粘附性及混凝土的抗疲劳开裂特性。其破坏形式表现为以下3 种类型：滑移：混凝土与钢之间沿界面的滑移；掀起( 脱空) ：混凝土掀起，混凝土与钢交界处脱空；裂缝：混凝土开裂其中混凝土裂缝的始发部位当出现在由负弯矩诱发的组合桥面板的高拉应力区。显然。为了工程安全，为了研究和监控组合桥面板的承载力和耐久性，很有必要准确的检测滑移、掀起( 脱空) 、裂缝三种损伤的发生部位、量值大小和发展过程。但是对滑移一掀起一裂缝的准确检测，技术难度很高，因为它要求传感器必须具有：非侵入性；灵敏、可靠、耐久：分布施检测能力；常规的点式电测仪器往往无能为力。为此，在模型试验中采用了高科技的光纤光栅传感器，以检测模型试验中的损伤，测试数据详实，规律性良好，与试验的宏观现象彼此吻合，测试结果合理可信。聃川大学硕士学位论文5 1 2 桥面板模型试验光纤传感系统构成组合桥面板模型试验的光纤传感测试中，检测项目包括滑移、掀起、裂缝3 项。模型试验光纤传感测试系统构成如图5 1 。其传感网络由以下3 条传感光路构成：( 1 ) 测滑移光路：带1 1 只光纤滑移传感器：( 2 ) 测掀起光路：带5 只光纤掀起传感器；( 3 ) 测裂缝光路：带4 只光纤裂缝传感器；实用f b g 传感器2 0 只。a h l h 2t a b 3似似，他t tt图5 1 光纤光棚传感系统组成示意圈根据组合桥面板的受力特点和模型测试的实际情况，本项光纤传感系统的选型如下：( 1 ) 光纤滑移传感器( 图5 2 a ) ，方形断面8 m m x s m m ，长6 0 r a m ，在桥面板中水平安装。其一端用螺栓紧固在钢板上，另一端嵌入混凝土中。( 2 ) 光纤掀起传感器( 图5 2 b ) ，圆形断面i p s m m ，长6 0 m m ，在桥面板中垂直安装，其下端用螺栓紧固在钢板上，上端嵌入混凝土中。( 3 ) 光纤裂缝传感器( 图5 2 e ) ，悬臂式结构，直杆为圆形断面嘶r r 吼，长5 0 0 m m ，水平安装在模型a d o 顶面。借助预埋角钢两端螺栓紧固。( 4 )光纤温度传感器，圆柱形蛳，长4 0 m m 。蜥做f光纤传感技术在土木工程中的应用椎垂p椎业u凹拈土下证瑚瞄佳感器( b l 埘姻信髑一【c l 光纤稍雒盛i图5 2 桥面板模型试验光纤光栅传感器外型图以上4 种光纤光栅传感器的主要技术特性见表5 1 。表5 1 光纤光栅传感器主要性能类型分辨率动态范围光纤滑移传感器l x l 0 4 m m 或1 u 一0 1 5 0 1 5 m m光纤掀起传感器l x l o a m m 或1 u 0 0 2 m m光纤裂缝传感器0 5 1 0 - 3 m m 或l t t 0 0 1 5 m m光纤温度传感器o 1 。cl o o 0 。c大功率，高速度、多传感器的测量系统，使用校正波长扫描激光源，4 通道，大容量，可同时检测传感器多达5 1 2 只，扫描频率高达2 5 0 h z ，波长分辨率达l p m ，其主要技术特性见表5 2 。( 6 ) 光缆，全部选用q , 3 l l l l n 铠装光缆。表5 2 ( 美) m o i s l 4 2 5 型光纤光栅解调仪技术性能光学通道数4每通道传感器数上限1 2 8波长测量范围1 5 2 0 1 5 7 0 r i m分辨率l p m动态范围2 5 d b扫描频率2 5 0 h z接头型式f c m l p c网络接口t c p j 伸外型尺寸1 3 3 x 4 3 2 4 5 1 m m5 + 1 3 桥面板模型试验光纤光栅传感器布置桥面板模型的试验光纤传感器布置由根据监测需要做如下布置，见图5 3 。曲田，：p 马川1 入学硕士学位论文辩il茎i_ _j一lj一、耋lh珏秘跹籍奠秘羁魏珏强醛髓冀“一梧椎镣啦士蓐求g副攀繇箔颦阻喹n”吼光纤传感技术在土木工程中的应用5 2 光纤光栅传感器测试及结果安装模型试验的总体安排，模型的试验经历了以下4 个阶段：( 1 ) 预加载阶段；( 2 ) 静加载阶段；( 3 ) 疲劳试验阶段；( 4 ) 破坏试验阶段；光纤传感测试配合上述总体安排按各加载阶段的具体要求，与其它测试工作同步进行。在每一阶段之后，都实施一次加载循环，从荷载0 k n 分多级加载到极限荷载6 3 5 2 k n ，然后卸载到0 k n ，每级加载完成稳定5 分钟开始读数。疲劳试验结果图见图5 4 图5