（机械电子工程专业论文）光纤光栅传感器在地铁车站结构健康监测中的应用研究.pdf

摘要 摘要 光纤传感器具有优良的传感特性和众多的优点，是近年来迅速发展起来的一 种新型传感器，在传感领域有着良好的应用前景。本文针对光纤布拉格光栅传感 器在地铁车站结构健康监测中的应用进行了研究，主要工作如下： 研究了光纤布拉格光栅传感器的封装技术，采用复合材料以及合适的封装结 构对光纤布拉格光栅应变传感器进行封装，实现了对布拉格光栅的有效保护。拉 伸试验和疲劳性能试验结果显示复合材料封装光纤布拉格光栅应变传感器具有 较高的灵敏度和良好的线性度及耐久性能。将复合材料封装光纤布拉格光栅应变 传感器埋入钢筋混凝土梁进行破坏试验，与电阻应变片测量结果进行对比，监测 结果显示，封装光纤布拉格光栅应变传感器传感性能良好，适合用于土木结构内 部的应变监测。 建立了基于光纤光栅传感技术的国贸地铁车站结构健康监测硬件系统；利用 参考光栅法实现了对光纤布拉格光栅应变传感器的温度补偿；利用波分复用技术 建立光纤布拉格光栅传感网络，实现了分布式测量。以地铁车站模型为基础，对 光纤布拉格光栅传感器的优化布设进行了研究，分别从静力学和动力学角度( e i 法) 对传感器进行了优化布设，最后综合静力学和动力学方法实现了光纤光栅传 感器在地铁车站中的优化布设。 在v b 和m i c r o s o f ta c c e s s 软件平台下运用v b 中的w i n s o c k 控件( t c p 协议) 及a d o 数据访问接口实现监测数据的采集与处理，建立了国贸桥地铁车站结构 健康监测软件系统，实现了大量传感器数据的采集、实时数据与曲线显示、数据 库存储、历史数据查询，其中采集到的数据直接为温度值和应变值，避免了解调 仪配套通用软件只能采集波长值的局限性。 对施工期车站结构温度和应变进行了监测，监测结果表明，施工期结构处于 正常状态。分析了目前各种结构损伤识别与安全评定的方法，由于结构整体健康 监测方法存在种种缺陷和不足，因此在软件系统中采用了基于结构局部响应的损 伤识别与安全评定方法对国贸地铁车站进行实时在线的损伤判断与安全评定。 关键词：光纤布拉格光栅；地铁车站；封装；优化布设；数据采集；损伤识别 分类号：t u 7 9 a b s t r a c t w i t he x c e l l e n ts e n s i n gp e r f o r m a n c ea n dm a n ya d v a n t a g e s ，f i b e ro p t i c s e n s o ri sa n e wv y p eo fs m a r ts e n s o rd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r sa n d h a sab r i l l i a n tf u t u r ei n s e n s i n gf i e l d i nt h i st h e s i s ，t h ef i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s i n gt e c h n o l o g y l s u t i l i z e dt om o n i t o rc o n c r e t es t r u c t u r e so fs u b w a ys t a t i o nd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o na n d s e r v i c ep e r i o d t h i st h e s i si sa r r a n g e df i t sf o l l o w s ： t h ep a c k a g eo ff b gi ss t u d i e d p a c k a g e dw i t hc o m p o s i t el a m i n a t e s a n d a p p r o p r i a t es t r t l c t u r e , t h ef b gi sp r o t e c t e de f f e c t i v e l y t h er e s u l t so ft e n s i l e a n d f a t i g u ep r o p e r t yt e s t s r e v e a lt h a tp a c k a g e df b gi so fl l i 曲s e n s i t i v i t ya n dg o o d l i n e a r i t ya sw e l la sd u r a b i l i t y b u r yt h ep a c k a g e df b g i nt h er cb e a ma n dm a k e d e s t r o yt e s t , t h er e s u l t so fw h i c hs h o wt h a ti th a sg o o ds e n s i n gp r o p e r t y , c o m p a r e d w i t hs t r a i ng a u g e s ，a n di ss u i t a b l ef o rm o n i t o r i n gs t r a i ni nt h ec i v i ls t r u c t u r e b a s e do nf b gs e n s i n gt e c h n o l o g y , t h eh e a l t hm o n i t o r i n gh a r d w a r es y s t e mo f g u o m a os u b w a ys t a t i o ni se s t a b l i s h e d f b gs t r a i ns e n s o r sa r ec o m p e n s a t e db y r e f e r e n c eg r a t i n g w i t hw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e xt e c h n o l o g y , t h ef b g n e t w o r k , w h i c hc a l li m p l e m e n td i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t , i se s t a b l i s h e d b a s e do nt h es u b w a y s t a t i o nm o d e l o p t i m i z i n gl o c a t i o no ff b g s e n s o r si ss t u d i e di ns t a t i c sa n dk i n e t i c s m e t h o dr e s p e c t i v e l y t h ef i n a lo p t i m i z i n gp l a c e m e n to ff b g s e n s o r si ns u b w a y s t a t i o ni sd e t e r m i n e db yc o n s i d e r i n gb o t hs t a t i c sa n d k i n e t i c sm e t h o d b a s e do nw i n s o c ka n da d oc o n t r o lo nv i s u a lb a s i ca n dm i c r o s o ra c c e s s p l a t f o r m ，ad a t aa c q u i s i t i o ns c h e m e i sp r e s e n t e da n dt h es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g s o f t w a r es y s t e mo ft h es u b w a ys t a t i o ni se s t a b l i s h e d ，e n a b l i n gal a r g en u m b e ro f s e n s o r s d a t aa c q u i s i t i o na n dd i s p l a y i n go fr e a lt i m ed a t aa n dc u l v ea sw e l la sd a t a s a v i n ga n dr e t r i e v i n gi nd a t a b a s e d a t aa c q u i r e db yt h e s o r w a r ea r ei nt e r m so f t e m p e r a t u r ea n ds t r a i ni n s t e a do fw a v e l e n g t h , a v o i d i n gt h el i m i t a t i o n so f t h es o f t w a r e o f f e r e db yi n t e r r o g a t i o n t e m p e r a t u r ea n ds t r a i no ft h es u b w a ys t a t i o ns t r u c t u r e a r em o n i t o r e dd u r i n g c o n s t r u c t i o np e r i o d t h er e s u l t ss h o wt h a t s t a t eo fs t r u c t u r ei sn o r m a l s t r u c t u r a l d 锄a g ed e t e c t i o na n ds a f e t ye v a l u a t i o nm e t h o d sa tp r e s e n t a r es t u d i e d b e c a u s eo ft h e s u p e r i o r i t yo fl o c a l h e a l t hm o n i t o r i n go v e ro v e r a l lh e a l t hm o n i t o r i n g ，d a m a g e d e t e c t i o na n ds a f e t ye v a l u a t i o ni sc a r r i e da tr e a lt i m ei nt h es o f t w a r es y s t e mb a s e d o n l o c a lr e s p o n s eo ft h es u b w a ys t a t i o ns t r u c t u r e a b s t r a c t k e y w o r d s ：f b g ；s u b w a ys t a t i o n ；p a c k a g e ；o p t i m i z i n gl o c a t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o n ； d a m a g ed e t e c t i o n c l a s s n o ：t u 7 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北 京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：闳习匕知 导师签名： 学位论文作者签名：e 舀列匕 导师签名：冠哆把 签字日期：川年f 月 。e t签字日期：力矽搀多月日 北京交通大学 嫒士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中 将剐翔i 以标注和致谢之楚外，论文中不包含其照人已经发表或撰写过豹研究成果，也不氢含为获得 北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同恚对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：阀n 匕u 签字日期：舢苔年6 月7 p 日 7 4 致谢 本论文的工作是在我的导师万里冰老师的悉心指导下完成的，万里冰老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 万老师对我的关心和指导。 万里冰老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向万里冰老师表示衷心的谢意。 在读研期间，同实验室的齐红元、杨江天、邱成、肖燕彩等老师对于我的科 研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此向他们表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，齐洪敏、张俊、孙萌、黄静、许凤良、赵金 光、朱义强等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1 本文研究的背景及意义 1 绪论 大型土木工程结构和基础设施，如桥梁、大坝、地铁站、高层建筑、大跨空间结构、 核电站、海洋石油平台以及输油、供水、供气等管网系统，其使用期长达几十年、甚至 上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期作用、疲劳效应与突然变化等灾害因素的耦 合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而使其抵抗自然灾害、 甚至在正常环境中的工作能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故【l 】。如果不能对 结构的工作状态和健康状况做出及时的监测和正确的评价，一旦事故发生，就会带来巨 大的经济损失甚至人员伤亡。为减少生命与财产的巨大损失，急需对大型土木工程结构 采取有效的服役期健康监测诊断，通过对结构的监测，评价其安全状况，在此基础上进 行修复和损伤控制【2 】。 结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称s h m ) 指利用现场的无损伤的监 测方式获得结构内部信息，通过包括对结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结 构损伤或退化的目的【引。结构健康监测分为整体健康监测与局部健康监测。近年来结构 的整体健康监测遇到了损伤定位这一瓶颈性的难题，而局部健康监测是通过布设于结构 关键局部构件测点处的各类传感器( 如振弦式应变传感器、电阻应变片、光纤光栅传感 器等) 来直接获取结构最易损伤关键部位的局部性态信息，局部性态信息可以直接用来 评价结构的健康状态。因此局部健康监测意义重大。目前常规的应变、位移传感器由于 在稳定性与耐久性方面的局限，很难应用于长期的土木工程结构健康监测中来。采用高 耐久性的传感元件是解决上述问题的根本性工作。光纤光栅传感器正是解决上述问题的 最有效途径之一。 光纤传感器是随着光纤通讯技术的蓬勃发展涌现出来的一种先进的传感器。光纤传 感器是采用光作为信息的载体，光纤作为传递信息的媒质，能够测量应力、应变、温度、 位移、加速度、电场、电流等多种物理量和化学量。由于光纤传感器具有高耐久性、体 积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、性能稳定、便于网络化集成等优点，因此随着 光纤传感器领域研究的深入，其影响日益扩大，研究领域也从航空航天、军事领域逐渐 扩展到土木工程等民用领域。光纤传感器以其众多独特的优点，成为土木工程结构智能 监测的重要手段。应用包括光纤传感器在内的多种传感器对桥梁、大坝、海洋平台等重 要设施进行实时监测，能够为结构的健康评估提供准确、可靠的信息，为管理与决策提 供重要的支持。其中光纤光栅传感器作为光纤传感器的一个重要分支，近年来在国内外 北京交通大学硕士学位论文 成为该领域最受重视的研究方向之一。 1 2 光纤及光纤传感技术 光纤最早用于通信领域，根据组分材料的不同，可分为石英玻璃光纤和多组分玻璃 光纤。光纤传感技术是现代通信技术的产物，是随着光纤及通信技术的发展逐步发展起 来的一门崭新技术。通信领域中，光纤被用作传输波导线。在实践中人们发现外界环境 的变化( 如温度、压力等) ，能够导致光纤内传输光默写参数的变化( 如频率、相位、 强度、偏振态等) ，而且这些变化是有一定规律的。由此，诞生了光纤传感技术。即通 过对传输光某些参数的变化的测量，实现对环境参数的测量。 1 2 1 光纤的基本结构 光纤是光导纤维的简称，是二十世纪后期的一大发现，现在通信领域中的光纤基本 上已达到实用化阶段。近年来，光纤传感技术的研究开发非常活跃，正向着更新的领域 发展。作为研究开发阶段的工程材料来看，虽然许多光纤方案已经实用化了，但在通信 和传感领域，从性能和可靠性来看，石英光纤是应用的重点。石英光纤结构通常为如图 1 1 所示同轴圆柱体，从内层到外层依次为纤芯、包层和涂覆层。光波在纤芯内沿轴向 传播，包层对纤芯中传输的光波起约束作用，同时对纤芯起保护作用，涂覆层则对包层 和纤芯起保护作用。按传输模式可以将光纤分为单模光纤和多模光纤，标准的单模光纤 纤芯直径为8 1 0u m ，多模光纤纤芯直径约为5 0g m ，标准的单模和多模光纤包层直径 则均为1 2 5 “m 4 】。在石英光纤系统中，在主要石英材料内混入少量的添加剂就可以达到 调节折射率的目的。 涂覆层 p 缁瀚谶 包层 纤芯 一 图1 - 1 光纤构造图 f i g u r e1 - 1s t r u c t u r eo ff i b e ro p t i c 光纤是工作在光波波段的一种介质波导，它能把以光的形式出现的电磁波能量利用 全反射原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传输。光纤传输的基本原理 是基于光的全反射现象。光纤纤芯折射率为n l ，包层折射率为”2 ，甩l 略大于n 2 ，根据 绪论 几何光学可知当光从纤芯入射到包层时，入射角小于折射角。入射光线一部分发生反射， 一部分发生折射。当入射角大于某一临界值岛时，将发生全反射现象，这样大大提高 了光纤传输光信号的效率。 1 2 2 光纤传感器及光纤布拉格光栅 光纤传感器以光测量技术为基础，采用光作为信息的载体，光纤作为传递信息的媒 质，不仅可应用于传统的测量领域，测量应力、应变、温度、位移、加速度等众多物理 量，也可用于高温、易燃、易爆、强电场及强磁场等苛刻环境中，发展十分迅速【 】。 光纤传感器与传统的各种传感器比较，具有众多优点，它集体积小、重量轻、灵敏度高、 性能稳定、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、便于与计算机连接、结构紧凑等优点于 一身，能够传感多种物理量和化学量，工作可靠，被认为是一类具有良好发展前景的传 感器。 光纤传感器按照传感原理可分为：强度型光纤传感器、干涉型光纤传感器和布拉格 光栅传感器等。强度型光纤传感器的基本原理是通过检测待测物理量引起的光纤中传输 光光强的变化实现对被测量的测量，干涉型光纤传感器通过检测光纤中光束相位的变化 实现对被测量的测量。 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 是一种新型的光子器件，可以改变和控 制光波在光纤中的传播。加拿大的k o h i l l 等人于1 9 7 8 年首次发现了光纤中的光致光 栅效应，在实验中他们将氩离子激光入射到掺锗光纤中时，观察到入射光与反射光在光 纤中形成的驻波干涉条纹能够导致纤芯的折射率沿光纤轴向的周期性变化，制作出世界 上第一根光纤布拉格光栅【9 】。1 9 8 9 年，美国的g m e l t 等人利用两束相干紫外光形成的 干涉条纹从光纤侧面写入光栅，发明了紫外侧写入技术，该项技术大大提高了光栅的写 入效率，并且可以通过改变两束相干紫外光的交角控制光纤光栅的周期，从而达到控制 布拉格中心反射波长的目的【1 0 】。1 9 9 3 年，k o h i l l 等人发明相位掩模方法写入光纤光栅 【1 1 1 ，p j l e m a i r e 则提出了普通单模通讯光纤的低温栽氢增敏技术【l2 1 ，这两项技术使光纤 光栅的制造成本降低，质量稳定性提高，其在通讯和传感技术领域的研究迅速成为热点。 根据光纤光栅的空间周期是否均匀，可以将光纤光栅分为均匀周期光纤光栅和非均 匀周期光纤光栅两大类。布拉格光栅属于均匀周期光纤光栅，其光栅周期与折射率调制 均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致，是一种性能优异的窄带反射滤波器件。 其它种类的光纤光栅包括长周期光栅、闪耀光纤布拉格光栅、啁啾光纤光栅和莫尔光栅 等【l 引。目前光纤光栅制作方法主要包括相位掩模法、全息曝光法和逐点写入法，其中相 位掩模法是较为常用的方法。相位掩模法是用紫外激光照射相位掩模板或振幅掩模板， 利用掩模板后的的正负1 级衍射光干涉形成的周期性明暗相间的直条纹对光纤进行曝 北京交通大学硕士学位论文 光成栅。光纤则预先采用高压载氢技术提高它的光敏性，成栅后加热退火以提高稳定性。 相位掩模成栅法的优点是对入射光相干性要求低，有利于大批量的生产 1 4 , 1 5 】。 光纤布拉格光栅是在一段光导纤维纤芯中建立起的一种空间周期性的折射率分布， 它是一种波长选择反射器，所反射的光波波长称为布拉格中心波长，布拉格中心波长钿 与光纤纤芯有效折射率n e f f 以及光纤光栅呈周期性变化的纤芯折射率一个周期的长度a 相关，它们的关系如下【j ： 厶= 2 刀人 ( 1 - 1 ) 由上式可知，光纤纤芯有效折射率 e f t 和光栅折射率周期a 两者的变化都可以导致 布拉格中心波长的的变化，这种变化称为“布拉格波长漂移。布拉格中心波长可以产 生漂移的性质使得光纤布拉格光栅可作为换能组件使用，用于传感多种物理量和化学 量。光纤光栅周围的温度场和作用在光纤光栅上的应变是两个能够直接导致布拉格中心 波长漂移的物理量。当光栅受到外界应变作用时，光栅的拉伸会导致光栅周期的变化， 同时弹光效应会导致光栅折射率的变化；当光栅受到外界温度的影响时，光栅的热膨胀 会使光栅周期发生变化，热光效应会使光栅的折射率发生变化。由解调系统测得布拉格 中心波长的漂移，根据光纤光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数，即可以得到应变或温 度变化量。除温度和应变外，借助于能量转换装置，光纤布拉格光栅还可以测量振动、 加速度、声波、磁场、压力、热膨胀系数以及电流等多种物理型1 7 q 圳。 光纤布拉格光栅用作传感器时除具有普通光纤传感器的全部优点外，还拥有其独 具的优势：其信息对波长绝对编码使它不依赖系统光源光强和光纤、耦合器的连接损 耗以及其它器件的插入损耗；光纤光栅传感器是自参考的，测量的是绝对值而不需要 初始参考；在波分复用或时分复用情况下，只用一根光纤就可以构建传感数组或传感 网络，实现准分布式测量。 1 3 光纤布拉格光栅监测系统 1 3 1 监测系统的基本组成 光纤布拉格光栅监测系统由宽带光源、连接元件、光纤布拉格光栅传感器以及波长 解调仪器组成【2 0 1 ，连接元件包括传输光纤与耦合器，宽带光源与光纤以及光纤之间一般 用耦合器连接，如图1 1 所示。解调仪系统基本工作原理如下：宽带光源发出的宽带光 入射到传输光纤中之后，当光束经过布拉格光栅时，一段包含布拉格中心波长以的狭 窄光谱被布拉格光栅反射回波长解调仪器，在没有被反射的透射光谱中则缺少这段光 谱。当应变和温度引起布拉格中心波长九( 假设厶对应初始应变和初始温度，其中初 4 绪论 始应变为零) 漂移到乞时，包含乞的狭窄光谱被反射回波长解调仪，因此可以通过探 测反射光谱( 或透射光谱) 获得名，允- - - 乞- 厶，见图1 - 2 。 宽带光源 i i n 耦合器 ir i 。 图1 1 光纤布拉格光栅传感系统 f i g u r el ls e n s i n gs y s t e mb a s e do nf b g8 e n 8 0 1 8 九九b a ) 光源光谱b ) 传导光谱 九九bx b 九 c ) 反射光谱 图1 2 光纤布拉格光栅光谱图 f i g u r e1 - 2i l l u s t r a t i o no ff b g 8s l g ( 光- t r u m 1 3 2 布拉格光栅传感网络的组建 光纤布拉格光栅传感监测系统的优势在于可以在一根或几根光纤上布置若干个布 拉格光栅，构建准分布式布拉格光栅传感网络，如图1 3 ，可以在大范围内对多点同时进 行监测，而且还可以大幅度减少监测系统的设备数量以及传输段光纤的长度，使系统易 于构建，降低系统造价。对于布拉格光栅准分布方式的实现，其中最关键的是如何实现 对多个光栅反射信号的检测。近年来这方面的研究取得了很大的进展。研究人员提出了 多种布拉格光栅传感器的复用方案，其中包括：波分复用( w d m ) 和时分复用( t d m ) ，以 及它们之间的相互组合方案。由于光纤布拉格光栅传感器的波长编码特性，使得波分复 用技术在应用中占有重要的地位。在基于波分复用的方案中，布拉格光栅沿着传输光纤 分布。每个传输布拉格光栅占用一段宽带光源的光谱，且它们的布拉格中心波长不相互 重合。布拉格光栅传感器集成的最大数目取决于宽带光源的光谱宽度以及每个传感器所 需要的工作谱宽。现在的复用技术已经发展的比较成熟，已能实现几百个传感器的集成， 北京交通大学硕士学位论文 使得布拉格光栅监测系统在需要大量传感器的监测项目中应用更为方便。 f b g 图1 - 3 光纤布拉格光栅准分布不恿图 f i g u r e1 - 3q u a s i d i s t r i b u t e ds e n s i n gn e to ff b g 实际应用中由于受波长解调仪通道数目的限制( 一般为4 通道) ，可采用光开关进 行通道扩展。扩展后可使通道数目增加到十几个甚至几十个。另外，由于有的波长解调 仪通过以太网接口进行通讯，因此可以将多个波长解调仪通过以太网连接，然后再与计 算机进行通讯，组成大型的光纤布拉格光栅准分布网络【2 l 】，见图1 4 ，在需要大量传感 器的监测场合应用极为方便。 j j j rj 置二薯 。：一二“- i - 亨三 一 图1 _ 4 光纤光栅传感器网络 f i g u r ei - 4n e to ff b g s e n s o r s 1 4 光纤传感技术在土木结构健康监测中的应用 由于光纤传感器的众多优点，目前其在土木结构健康监测中的应用已经成为热门的 研究方向。1 9 8 7 年，英国在总长5 2 2 m 的三跨变高度连续钢箱梁桥f o y l e 桥上布设传感 绪论 器【2 2 1 ，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 测环境风荷载和结构温度场。该系统是最早安装较为完整的监测系统之一，它实现了实 时监测、实时分析和数据网络共享。1 9 8 9 年，v e r m o n t 大学【2 3 】的研究人员就将长达1 0 0 米的多模光纤粘贴在州际公路桥的桥面，测量桥在气锤冲击、卡车行驶时的振动情况； 1 9 9 2 年，他们在一座水力发电站的大坝中埋入了总长为6 5 0 0 多米的光纤，测量大坝所 承受的水压、水的流速、大坝关键部位的振动；1 9 9 3 年，在斯坦福生物技术研究中心大 楼里埋入了总长4 0 0 0 多米的单模、多模光纤，以监测建筑的振动、风力荷载、徐变等 参数。在之后持续数年的观测中，分别埋入到民用建筑、高层建筑、州际公路桥、铁路 桥及水电大坝中的各种光纤传感器能够获得结构或建筑物内部的应力、应变、结构振动 等参数，总体上取得较好的测试结果。t t a t 和n t r - l n f r a n e t 在日本横滨长跨径悬索大 桥安装了m o i 监测系统，应用了2 0 个光纤传感器，系统自从安装以来没有出现过故障， 一直良好地跟踪监测承受六车道与两列车道重交通和强烈风荷载高应力作用下大桥的 运营状态。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e m o s s o n 发电站水库的大坝上 安装了s o f o 系统，用它来测量坝体的裂纹和基础的位移，测试结果表明光纤传感器与 原来杆式伸长计的结果非常吻合，结果也比较精确。意大利科摩大教堂采用光纤传感器， 来监测结构的沉降量，系统中采用了2 8 个传感器，大约用了1 2 k m 的光纤，采集的数 据能定期为维护修理提供信息。此外，德国、加拿大等国的学者也分别将光纤传感器应 用于桥梁、大坝、隧道高层建筑等土木工程设施的施工和服役期，在混凝土的硬化期温 度监测以及服役期大跨度构件的弯曲、挠度和位移等参数的监测方面，进行了研究和探 索。目前，在美国、日本及欧洲等一些国家光纤传感器已经在一些实际的工程结构如桥 梁、大坝、高层建筑的健康监测系统中得到了应用，并且已经出现专为土木工程设计的 商业化的光纤传感器及其探测系统。已经取得的研究成果显示，光纤传感器在传感网络 中能够与其它传感器协同工作，通过对钢筋混凝土内部应力、应变、裂纹、温度以及结 构挠度、位移、振动等相关参数的监测，为大型土木工程设施的安全监测与健康评价提 供了可靠信息。 光纤布拉格光栅传感器在测量温度和应变等参数方面有其独具的优势，因此近年来 其在土木工程中的研究与应用最为热门。1 9 8 8 年，m e l t z 2 4 】首先报道了光纤光栅温度与 应变传感器，研究了光纤光栅的温度、应变灵敏特性。s i m o n s e n 2 5 】将光纤光栅传感器埋 入增强树脂试件中，试验结果显示光纤光栅传感器具有很好的线性度与重复性。 m e l l e 2 6 2 7 】开发了一种面向光纤光栅应变、温度监测的快速解调系统，实现较大动态范围 内的应变与温度的绝对测量。1 9 9 2 年r u t g e r s 大学的p r o h a s k a 等人第一次将光纤光栅埋 入到混凝土中进行试验【2 引，在浇注养护之前光纤光栅被粘贴在预先刻在受力钢筋表面的 小凹槽中。同时在试验中也布置了传统的电阻应变片以便进行对比分析。试验结果表明， 光纤光栅工作良好，具有较高的精度。这次试验将最初应用于航空、航天领域的光纤光 7 北京交通大学硕士学位论文 栅传感器应用到土木工程中来。近年来的研究报道显示，土木工程结构领域是基于光纤 光栅传感器的健康监测应用研究最为活跃的领域之一。监测的结构对象包括桥梁、大坝、 隧道、大跨空间结构等，该方向在桥梁方向应用最为集中。1 9 9 3 年，加拿大科学家【2 川 首次将光纤布拉格光栅传感器应用于桥梁结构，在重2 1 吨的卡车作用下，对桥梁结构内 部的应变变化状况进行了监测。t o r o n t o 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【3 0 i 。d a v i s m 等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【3 1 1 。j o h ns e i m 等人在美国俄勒冈州的一座名为h o s e t a i lf a l l s 的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【3 2 】。1 9 9 7 年f u h r e 3 3 】在美国 w i n o o s k i 河上的w a t e r b u r y 大桥的面板中埋入了8 个光纤光栅传感器测量大桥的应力应 变，其中三个直接粘贴在桥面板结构的受力钢筋表面，两个预先在实验室粘结在一根钢 筋表面，之后到施工现场固定钢筋即可，这样方便了现场布设工作，其它几个传感器采 用聚合物材料进行封装，然后同钢筋连接固定。他们对传感器埋入工艺进行了探讨，只 要光纤光栅在埋入的过程中成活，就基本实现布设目的。光纤光栅传感器测量到y s o m 的监测结果。n e l l e n 3 4 1 等人分别在瑞典s a r g a n 附近的隧道岩栓和用于l u c e r n e 桥的预应 力索上布置了光纤光栅传感器。隧道岩栓采用玻璃纤维聚合物制成，利用布设其中的光 纤光栅传感器监测隧道施工与运营阶段岩石活动状况。预应力桥索应用碳纤维聚合物制 作而成，制作过程中埋入光纤光栅传感器以测量大桥运营阶段的应力松弛状况。试验结 果表明光纤光栅可以监测到高达8 0 0 0 , u s 的应变值。1 9 9 9 年，在美国新墨西哥卅i 的一座 钢结构桥梁上，安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上布设最多传感 器数目的记录。2 0 0 2 年y o s h i d a 将光纤光栅应用于人工斜坡的变形测量，实现了对斜坡变 形的实时监测。2 0 0 6 年y e n 开发了一套基于光纤光栅的f b g s d 的地面水平变形监测系 统，并通过试验与现场测量验证了系统的有效性。随着光纤光栅传感技术的日趋成熟， 其在土木结构健康监测领域的应用前景将更加广阔。 国内光纤传感领域研究应用起步较晚，但最近1 0 年来，国内研究机构逐渐认识到了 光纤传感的重要性，开展了一些有意义的工作，取得较大进展。刘浩吾、杨朝晖用法布 里珀罗光纤传感器对混凝土的应变测量进行了实验研究；杨建赳3 5 】等人探讨了基于强 度增敏的光纤传感阵列；蔡德所【3 6 】于1 9 9 8 年应用强度型光纤传感器，研究开发了一套混 凝土裂缝监测系统，并应用到三峡的一座临时船闸和古洞口面板堆石坝坝面裂缝的监测 中，于1 9 9 8 年6 月1 6 日和7 月3 0 日两次监测到2 路光纤距o t d r 仪7 1 5 m 处0 2 m m 长的裂缝。 侯爽和欧进萍【3 7 】基于光纤断裂机理设计了可同时监测多处随机裂缝的多段分布式光纤 绪论 监测系统，该系统由于可使用普通商用o t d r 进行测量，适合在土木工程中推广使用。 刘云启【3 8 】从理论上分析了引起光纤光栅交叉敏感的物理机制。2 0 0 1 年欧进掣3 9 】等人在国 内首次将光纤布拉格光栅传感器用于黑龙江呼兰河大桥预应力箱型混凝土梁与桥面板 内部温度和应变的测量。李宏男等人【4 0 研究了封装光纤光栅传感器的特性以及在建筑结 构基础监测中的应用。姜德生】利用光纤光栅传感器测量了贵州冷饭盒大桥的结构钢筋 应变历程。施斌等人把远程分布式光纤光栅应变监测系统用于南京市鼓楼隧道、玄武湖 隧道、广东河源高速公路滑坡监测等多项重大工程中，取得了显著的社会、经济和工程 效益。香港理工大学的c h a r t 等人则利用频率调制连续波( f m c w ) 技术实现了光纤光栅 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1 2 处的应变【4 2 】。南京 长江三桥深水基础施工监测项目【4 3 】中布设了 3 9 7 个光纤光栅应变和温度传感器，其中温 度测量2 2 5 个、吊杆1 4 个、主墩护筒8 7 个、试验桩1 1 个和基桩钢筋笼6 0 个，取得良好的 控制效果。此项目是目前国际上施工控制中布设光纤光栅应变和温度传感器最多的桥梁 基础，并在此基础上开发了施工监测网络数据库，用监测到的数据直接指导施工过程， 促进信息化施工的发展，其应用研究成果达到国际先进水平。2 0 0 0 年以来，欧进萍领导 的课题组系统地研制开发了管式和片式封装等系列土木工程用光纤光栅封装传感器，已 经在国内多座混凝土桥梁结构与大型土木工程结构中应用。 目前国内哈尔滨工业大学、大连理工大学、武汉理工大学、清华大学、同济大学、 南京大学和香港理工大学等单位对基于光纤光栅传感器的土木工程结构健康监测非常 重视，投入了很大的力量开展研究并取得了一定的成果。 1 5 本文的主要研究内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过实验的方法，寻求合适的封装材料和封装结构实现光纤光栅应变传感器的 有效保护，提高传感器的耐久性等指标，使其适合埋于钢筋混凝土结构内部进行结构应 变的监测； ( 2 ) 建立国贸桥地铁站结构健康监测硬件系统，利用波分复用技术建立光纤布拉格 光栅传感网络，实现分布式测量：分别从静力学和动力学角度( 有效独立法) 对传感器 进行优化布设，最后综合静力学和动力学方法实现光纤光栅传感器在地铁车站中的优化 布设； ( 3 ) 建立针对国贸桥地铁站的专用数据采集与处理软件系统，采集、处理、显示、 保存和查询由所有光纤传感器采集到的数据，实现国贸桥地铁站结构状态的实时在线监 测。 ( 4 ) 对施工期车站结构温度和应变进行监测。分析目前各种结构损伤识别与安全评 9 北京交通大学硕士学位论文 定的方法，在软件系统中采用基于结构局部响应的损伤识别与安全评定方法对国贸地铁 车站结构进行在线损伤判断与安全评定。 1 0 光纤布拉格光栅传感原理及性能测试 2 光纤布拉格光栅传感原理及性能测试 光纤传感器可以分为功能型和非功能型两类。布拉格光栅传感器是一种功能型的光 纤传感器，即由光纤的一部分作为传感区，将之加工成光纤布拉格光栅，使光纤本身具 有传感能力。光纤布拉格光栅是在一段光导纤维纤芯中建立起的一种空间周期性的折射 率分布，当其受到应变或者温度作用时，布拉格中心反射波长会产生漂移，由此光纤布 拉格光栅可以作为传感器。 2 1 光纤布拉格光栅传感原理 光纤布拉格光栅中心波长的数学表达式为： 砧= 2 n e f a ( 2 - 1 ) 对( 2 1 ) 式两边进行微分，得 d a b = 2 a d n 够+ 2 n e f d a ( 2 - 2 ) 将( 2 - 2 ) 式两端分别除以2 1 式两边项，得 孕：堕+ 竿( 2 - 3 ) 九 n e f f 人 式中人是光栅的周期，n 是纤芯的有效折射率。由( 2 - 1 ) 式可以看出，光纤布拉格 光栅的中心波长取决于光栅周期和光纤有效折射率，任何使这两个参量发生改变的物理 过程都将引起布拉格光栅中心波长的漂移。通过对中心波长漂移量的检测，就可以得到 被测参数。温度和应变是两个能显著改变布拉格光栅中心波长的物理量。 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( 变化量为姒) ， 同时由于弹光效应，有效折射率也将发生变化，有效折射率的变化量为： d n e f = 一盟尘掣q ( 2 - 4 ) 所以有： 堕：一年 e l ：一。( e l 。+ e l ：) k ( 2 - 5 ) h 唾 二 式中p l l 和p 1 2 为单模光纤的弹光系数，7 是光纤材料的泊松比，p 工是线弹性范围 内光纤产生的轴向应变，光纤布拉格光栅为均匀周期的光栅，所以有： 北京交通大学硕士学位论文 巳= 百d a ( 2 - 6 ) 将( 2 5 ) 式和( 2 - 研式代入( 2 3 ) 式，褥爨光纤光栅产生应变时，由予光瓣周期和光纾有效折 射率变化导致的总的布拉格波长相对变化为： d 2 s ：擘一n e f f 【墨2 一p ( 鼻l + 露2 ) 】 靠( 2 - 7 ) 2 厶 、 一 一 “ 记 ； 【丑：一u ( 丑，+ 露：) 】( 2 - 8 ) z 见称为光纤的有效弹光系数，。对于石英光纤，糟谚- - 1 4 5 6 ，p n = 0 1 2 1 ，p 1 2 = 0 2 7 0 ， p = o 1 7 ，得只0 2 2 湖，新以有： 罢k = ( 1 一) 鼻o 7 8 幺( 2 - 9 ) f l j ( 2 - 9 ) 式可以计算光纤光栅的理论应变灵敏系数= = 如( 1 一) ，例如，当 光纤光栅如= 1 5 4 5 n m 时，光纤光栅的应变灵敏系数为： 堕0 7 8 1 0 - 6 砧描1 2 0 5 l o - 3 n m i z g ( 2 - l o ) 则由( 2 - 9 ) 式可知，光纤光栅中心波长变化与轴向应变的关系可表示为： 钡毒= 口譬q ( 2 1 1 ) 上式可方便地将波长变化的数据处理成应变结果。 当光纤布拉格光栅处于温度变化的环境中时，由于光纤材料的热膨胀，光纤将产生 热应变，导致光栅周期发生变化，同时由于热光效应有效折射率也会发生变化，在一定 的温度变化范围内，热应变可表示为： 野：d - a ；a d t 1 2 ) ( 2 - 1 2 野2 百2 式中口为光纤材料的热膨胀系数，则出热应变导致的布拉格波长相对漂移为： 望：蒯r( 2 1 3 ) 一= ，加， ，- _ l 锄 热光效应导致的光纤有效折射率变化为： 光纤布拉格光栅传感原理及性能测试 堕：一上堕坐d 丁 ( 2 1 4 ) n 晤n 啦d yd t 、 式中y 为光纤的归一化频率，记 孝= 一i 1 霉而d v ( 2 - 1 5 ) d g 以 d l 善为光纤的热光系数，对于石英光纤，热膨胀系数口o 5 5x1 0 - 6 0 c ，孝6 6 7 x1 0 6 0 c 一1 。 将( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 式代入( 2 3 ) 式，得环境温度变化导致的总的布拉格波长相 对变化的关系为： 孕：位+ 孝) 刀( 2 - 1 6 ) 由上式可以计算光纤光栅的理论温度变灵敏系数听= 等= 位+ 毋厶，例如，当 4 _ f 光纤光栅以= 1 5 4 5 n m 时，光纤光栅的温度灵敏系数为： 丝：( o 5 5 1 0 - 6 + 6 6 7 1 0 6 ) 厶：1 1 1 5 4 1 0 - 3 n m c ( 2 1 7 ) d t 、 9 、 则由( 2 1 6 ) 式可知，光纤光栅中心波长变化与温度变化的关系可表示为： 地= d t ( 2 1 8 ) 上式可方便地将波长变化的数据处理成温度变化结果。 2 2 光纤布拉格光栅灵敏系数 2 2 1 光纤布拉格光栅应变灵敏系数测定 由2 1 节可知，温度的变化也能够导致光纤布拉格光栅中心波长的漂移，由此可以 制作光纤布拉格光栅应变传感器。由于光纤材料以及光纤拉制过程中均存在一定的波动 性，光纤布拉格光栅作应变传感器时，采用公式计算得到的理论应变灵敏系数与光纤光 栅实际的