（计算机科学与技术专业论文）基于光纤传感技术的桥梁健康监测数据库系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 桥梁健康监测系统是通过对桥梁结构状态的监测与评估，为大桥在特殊气 候、特殊交通条件下或运营状况严重异常时触发预警信号，分析评估桥梁使用寿 命，并为桥梁的养护、维修与管理决策提供科学的依据。大型桥梁的健康监测由 于应用了光纤传感特别是光纤光栅传感技术，解决了传统电测手段无法长期稳 定监测的问题，同时也由于计算机应用、桥梁结构分析、损伤识别等技术的飞速 发展而快速进步，取得了一系列的研究成果，证明了光纤传感技术应用于这一 领域的技术优势。 本文针对桥梁监测现状，提出利用光纤光栅传感器实时、长期、精确的特 点，并用光纤光栅温度传感器、光纤光栅应力传感器和光纤光栅位移传感器等 传感器来研究桥梁健康监测系统。桥梁健康监测数据库系统在整个监测系统中 起着承前启后的作用。它不但为各种各样的复杂的监测数据提供集中的存储手 段，而且存储在其中的各种经过处理的监测数据，可以直接或间接为桥梁评估 系统的评估和桥梁管理部门的决策提供依据，还可以提高人们对大型复杂结构 认识，为以后的项目提供设计和建造依据。 本文所做的主要工作包括： ( 1 ) 概括的介绍了光纤光栅应力传感器、光纤光栅位移传感器、光纤光栅 温度传感器等的工作原理和桥梁健康监测系统中常用的光纤光栅传感器。探讨 了桥梁健康监测系统设计原则及监测内容。 ( 2 ) 通过对桥梁健康监测系统的分析，研究和设计了桥梁健康监测数据库， 根据桥梁健康监测数据库系统中测点多，数据量大，监测点往往远离监测分析 人员等特点，通过对比分析，选择以网络三层架构和以面向对象的软件设计原则 为指导，研究和实现了具有灵活性、易于操作、易于维护、可扩展性好的桥梁 健康监测数据库远程信息系统。 ( 3 ) 探讨和设计了桥梁健康监测数据库系统数据库的安全，数据库备份等 方面。 关键词：光纤光栅传感器，健康监测，数据库，j s p 。 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t t h r o u 曲t h em o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o nf o rt h es t a t eo ft h eb r i d g es t m c t u r e ，t h e b r i d g eh e a l t h ym o n i t o r i n gs y s t e mw i l ls e n do u tp r e a l e r ts i g n a lw h e nt h eb r i d g ei s u n d e rs p e c i a lc l i m a t e ，s p e c i a lt r a f f i cc o n d i t i o na n dt h es e r i o u se x c e p t i o n so fr u n n i n g c o n d i t i o n ，a n d i t a n a l y s e sa n de v a l u a t e st h eb r i d g el i f ea n ds u p p l i e ss c i e n t i f i c e v i d e n c ef o rt h em a i n t a i n i n ga n dm a n a g e m e n tp o l i c y a i m i n ga tt h ea c t u a l i t yo ft h eb r i d g ee x a m i n a t i o n ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r da m e a s u r et h a tu s e st h es p e c i a l t i e so ff b g s ，s u c ha sr e a l - t i m e ，l o n g t i m ea n dp r e c i s i o n ， t os o l v et h ep r o b l e m sw h i c ht h em a n u a le x a m i n a t i o nm e a s u r e sc a n n o ts o l v ew e l l ，a n d r e s e a r c h e st h eb r i d g eh e a l t h ym o n i t o r i n gs y s t e mw i t hf b g t s ，f b g s sa n df b g d s t h es y s t e mo fb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gi sac o n n e c t i n gl i n kb e t w e e nt h ep r e c e d i n g a n dt h ef o l l o w i n g i tn o to n l ym a k ea l lc e n t r a l i z e ds t o r ef o ra l lk i n do fc o m p l i c a t ed a t a o fs y s t e m ，b u ta l s os t o r et h ed a t at h a th a db e e np r o c e s s e d i tc a np r o v i d et h e d e c i s i o n - m a k i n gg i s tf o rt h eb r i d g ee v a l u a t i n gs y s t e ma n dt h ed e p a r t m e n to fb r i d g e m a n a g e m e n t ，i m p r o v e st h ek n o w l e d g eo fp e o p l ef o rl a r g e - s c a l ec o m p l e xs t r u c t u r e ， p r o v i d et h ed e s i g na n dc o n s t r u c tg i s tf o rt h e l a t e ri t e m t h em a i n w o r ko ft h i sp a p e r ： ( 1 ) 、t h i sp a p e rr e s u m p t i v e l yi n t r o d u c e st h ew o r kt h e o r yo ft h ef b g t s ，f b g s s a n df b g d s ，a n dt h eu s u a lf i b e ro p t i cs e n s o ru s e di nt h eb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n g s y s t e m ，d i s c u s st h ed e s i g np r i n c i p l ea n dm o n i t o r i n gc o n t e n to ft h eb r i d g eh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m ( 2 ) 、a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r i d g eh e a l t h ym o n i t o r i n gd a t a b a s e s y s t e m ，s u c ha st h e a g r e a tm a n ys f n s o r s ，m a g n a n i m i t y d a t aa n dt h es i t eo f m o n i t o r i n gi sf a r a w a yf o r mt h ep e o p l eo fm o n i t o r i n ga n da n a l y s i s ，t h i sp a p e ru s ej s p l a n g u a g et od e s i g nt h eu l t i t i e rs t r u c t u r ea p p l i e ds y s t e mo fd a t a b a s eu n d e rt h e d i r e c t i o no fo b j e c to r i e n t e ds o f t w a r ed e s i g nm e t h o d ( 3 ) 、d i c u s sa n dd e s i g nt h es a f e t ya n dd a t ab a c k u po ft h eh e a l t h ym o n i t o r i n g d a t a b a s es y s t e m - 武汉理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：f b g s ，h e a l t hm o n i t o r i n g ，d a t a b a s e ，j s p - m 武汉理工大学硕士学位论文 第一章：绪论弟一早：三百了匕 1 1 桥梁健康监测的目的及意义n 随着大型桥梁的大量建造，以及它们的巨大投资及在国民经济中的重要作 用，使得人们对桥梁的安全性越来越重视。由于环境影响、日益增长的交通量、 荷载等级、交通流量、行车速度等方面的提高，许多既有桥梁已经不铯满足新 的结构规定和要求；劣化和荷载的增加也导致了桥梁可靠性的降低，桥梁结构 使用功能的退化必然发生，因此大跨桥梁的运营管理以及其中的健康监测管理 也越来越受到重视。 对大型桥梁结构进行健康监测是指对运营阶段的桥梁结构及其工作环境进 行实时监测，并根据监测得到的信息分析结构的健康状况、评价桥梁承受静、 动荷载的能力以及结构的安全可靠性，为运营、维护、管理提供决策依据。桥 梁健康监测系统的建立，能够适时监测反映桥梁安全状况的关键参数，借此可 以合理地进行交通管制，保障人民生命财产的安全。通过实时或准实时的损伤 检测，在遭受船舶撞击或其他事故后能评估桥梁的承载能力和结构安全。自动 对大桥运营期出现的损伤进行定性、定位和定量分析，对关键监控参数值的异 常变化实施报警处理，以确保桥梁的安全使用，避免突然性结构破坏造成的重 大损失，防患于未然。实时监i 贝4 所得的数据和分析结论对桥梁的设计者和建造 者来说是十分宝贵的资料。这些资料可以提高人们对大型复杂结构认识( 如真正 的环境荷载和桥梁动力响应) ，为以后的项目提供设计和建造依据。 武汉某大桥长期健康监测系统将国际先进的光纤光栅传感技术、自动化技 术、通信技术和数据处理技术等最新成果应用于桥梁工程领域，可实现桥梁健 康状况的远程、智能和在线监测，从根本上解决桥梁安全测试评估中传统方法 的缺陷。 1 2 桥梁健康监测的国内外研究进展 传统的桥梁管理活动在很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，缺乏 武汉理t 大学硕士学位论文 科学系统的方法，往往对桥梁特别是大型桥梁的状况缺乏全面的把握和了解， 信息得不到及时反馈。如果对桥梁的病害估计不足，就很可能失去养护的最佳 时机，加快桥梁损坏的进程，缩短桥梁的服务寿命。如果对桥梁的病害估计过 高，便会造成不必要的资金浪费，使得桥梁的承载能力不能充分发挥。研究表 明，最安全牢固、经久耐用的桥梁是那些得到科学管理、及时维修的桥梁。2 0 世纪5 0 年代以来，由于桥梁安全事故的不断发生和事故后果的严重性，工程技 术人员对桥梁监测展开了积极的探索。 1 2 1 国外桥梁健康监测的发展现状脚 在国外，美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家开展了桥梁健 康监测的研究，但是使用传统的测试技术不可能实现真正意义上的桥梁结构长 期健康监测。到2 0 世纪8 0 年代中后期，随着桥梁检测手段和监测技术的不断 发展以及人们对于桥梁安全性和耐久性重视程度的提高，许多大型桥梁上配备 安装了各种各样的检测工具和监测设备。 曼谷的r a m a i x 桥1 9 9 5 年安装了结构整体性与安全性在线警报系统( 0 n l i n e a l e r t i n go fs t r u c t u r a li n t e g r i t ya n ds a f e t ys y s t e m ，o a s i s ) 。系统包括1 2 通道加速度计和3 通道风测量，1 通道温度测量。丹麦的g r e a tb e l ts u s p e n s i o n b r i d g e 桥的结构监测系统包括5 0 通道温度、5 0 通道沉降、2 0 通道位移、2 通 道风速和4 2 通道主缆锈蚀的测量。 直到9 0 年代光纤传感器产品得以在土木工程领域应用以后，特别是光纤光 栅传感器在这一领域的应用实现了监测系统的长期稳定和有效性，推动了桥梁 健康监测技术的长足进步。也就是从这时才开始了真正意义上的桥梁在线长期 健康监测。 在欧洲，瑞士的s a m u e lv u r p i l l o t 等人对v e r s o i x 桥进行了以光纤传感技 术为主的实时监测，整个监测系统由传感器和信息处理器两个部分组成，利用 该系统已成功地对五座桥梁进行了实时监测。瑞典在w i n t e r t h e r 的s t o r c h e n b r u c k e 斜拉索桥梁上应用光纤传感器成功地解决了斜拉桥索力的长期实时监测 问题。 从上世纪9 0 年代初开始特别是最近几年，大型桥梁的健康监测由于应用了 光纤传感特别是光纤光栅传感技术，解决了传统电测手段无法长期稳定监测的 武汉理工大学硕士学位论文 问题。同时也由于计算机应用、桥梁结构分析、损伤识别等技术的飞速发展而 快速进步，取得了一系列的研究成果，证明了光纤传感技术应用于这一领域的 技术优势。 需要特别指出的是，光纤光栅传感器基于光波长变化的数字测量原理，使 其比普通光纤传感技术更为优越，有着极强的生命力和应用前景。以前，英、 美等国对光纤光栅传感技术的应用仅限于军用，就是因为其稳定性好、精度极 高和长期可靠，因此对我国实行技术封锁。近几年才应用于民用土木工程结构 的监测，通过在桥梁上应用的许多工程实例，证明了光纤光栅传感技术对桥梁 健康监测的巨大推动作用，取得了很多具有国际领先水平的研究成果。 由此可见，把光纤传感技术特别是光纤光栅传感技术应用到桥梁工程领域 给桥梁健康监测和安全状况评估注入了新的活力，为桥梁在线长期健康监测学 科的发展带来了契机。国外通过近十几年的研究，已形成了比较成熟的技术， 其相关产品由于精度高和实用性强而得到用户的青睐“1 。 1 2 2 我国桥梁健康监测的发展现状 我目桥梁健康监测工作起步相对较晚，始于上世纪9 0 年代末，究其原因主 要是由于观念、资金、测试技术和监测手段的落后。随着我国改革开放的不断 深入，对外经济、文化、科学技术等方面交流的不断扩大，综合国力的不断增 强，交通基础设施和大型桥梁的建设得到了前所未有的关注，基本建设的投入 迅速增加。多次桥梁跨塌的事故给桥梁工程技术人员和管理部门敲响了警钟， 桥梁建康监测的意义和作用已逐步为桥梁建设者、设计人员和管理人员所认识。 同时测试技术和监测手段的全面提高和更新，桥梁监测的软、硬件条件都发生 了大的改变，使得我国的桥梁健康监测成为可能。 桥梁研究工作者相继展开了桥梁在线健康监测系统的研究，先后在徐浦大 桥、江阴长江大桥、芜湖长江大桥和南京长江二桥等特大型桥梁上实践。香港 特别行政区公路署对青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥实施了世界上规模最大 的桥梁健康监测系统。但是这些监测系统由于技术经济条件的制约，未能大规 模采用先进的光纤光栅传感技术，仅仅在非常重要的局部使用。因此就应变测 试而言，测试精度和长期稳定性达不到状况评估和健康诊断的要求。 目前，国内光纤光栅传感技术的应用仅局限于小规模的单项测试。如果大 3 武汉理工大学硕士学位论文 规模地应用光纤光栅传感技术于桥梁的健康监测，实时地测试桥梁的应变、温 度、振动和位移等参量，将是具有国际先进水平的应用规模。这一工程应用结 合桥梁健康状况评估专家系统的应用研究，能够取得具有国际先进水平的应用 成果。 1 3 桥梁健康监测数据库 桥梁监测评估是一个复杂的过程。一般而言，对大型桥梁进行系统监测有 如下三个方面的内容： 在桥梁的相关部位布置测点，通过监测仪器或人工检查来获取与桥梁安 全性、耐久性等有关的各种数据。 建立用以储存与处理监测数据的数据库管理系统。 以数据库管理系统中的监测数据为基础，进一步建立与智能技术相结合 的桥梁安全性与耐久性评估系统，它能及时反映桥梁的运行状态，对桥 梁结构的质量退化和损伤状况做出科学的评估。 桥梁健康监测数据库系统在整个监测系统中起着承前启后的作用。它不但 为各种各样的复杂的监测数据提供集中的存储手段，而且存储在其中的各种经 过处理的监测数据，可以直接或间接为桥梁评估系统的评估和桥梁管理部门的 决策提供依据。 桥梁健康监测数据库系统除了直接服务于监测系统，为桥梁的健康状况评 估提供依据，监侧数据库还存储了反映桥梁健康状况的结构参数的“历史”演 变记录，如基础沉降、徐变等等。这些“历史”记录对于深入了解桥梁结构的 质量演变规律，进而验证设计参数、改进设计旋工方法、提高设计旌工水平， 具有极好的参考价值。 1 4 本文研究的主要内容 为了满足桥梁健康监测和评估桥梁健康状况的需要，并为桥梁管理、养护 和决策提供科学依据。本文提出了利用s o l s e r v e r 2 0 0 0 创建桥梁健康监测数据 库，并设计研究出基于光纤传感技术的桥梁健康监测数据库系统，该系统将在 武汉理工夫学硕士学位论文 武汉某大桥上进行应用实践。 作为该系统的开发人员，主要完成以下几点工作： ( 1 ) 概括的介绍了光纤光栅应力传感器、光纤光栅位移传感器、光纤光栅 温度传感器等的工作原理和桥梁健康监测系统中常用的光纤光栅传感器。探讨 了桥梁健康监测系统设计原则及监测内容。 ( 2 ) 通过对桥梁健康监测系统的分析、研究，设计了桥梁健康监测数据库， 结合桥梁健康监测数据库系统中测点多、数据量大，监测点往往远离监测分析 人员等特点，通过对比分析，选择以网络三层架构和以面向对象的软件设计原则 为指导，研究和实现了具有灵活性、易于操作、易于维护、可扩展性好的桥梁 健康监测数据库远程信息系统。 ( 3 ) 探讨和设计了桥梁健康监测数据库系统数据库的安全，数据库备份等 方面。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章桥梁健康监测系统 桥梁健康监测需要测试多种参数，包括结构参数和环境参数，桥梁结构的 裂纹乃至破坏的主要表象就是应力过大、变形过大。应力测试在桥梁结构的长 期健康监测中至关重要，就桥梁应力测试而言：传统的电阻应变片传感元件 的性能也在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的； 但其受环境影响较大，由于温漂和零漂的影响，长期应变测试的结果会严重失 真。在混凝土内部应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖， 而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线 长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦蠕变的原因，国产钢弦式应变 传感器的正常使用期为3 年左右。由于机电类传感器的长期稳定性不好，桥 梁结构的长期应变测试，通过国内外同行的大量实践，已将应变传感器锁定在 光纤传感器上。 2 1 光纤光栅传感器在桥梁健康监测系统中的应用 4 s j 6 1 f 8 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 ) 作为非常重要的现代光纤 无源器件之一，在近年得到了非常迅速的发展。世界上第一只光纤光栅是在1 9 7 8 年由k o h i l l 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成的，其原理在于：光 纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起 折射率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内 形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波镜或反射镜。利用这一特性可以构成许多 性能独特的光纤无源器件。 光纤光栅具有许多独特的优点，例如：抗干扰性( 如电磁场、湿度、化学 腐蚀等) 强、寿命长、复用性好( 如波分复用与时分复用) 等。因而在光纤激 光器、光纤传感器及声光调制器等方面的研制与开发日益受到重视。随着光纤 光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增多，使得光纤光栅成为目前最有 发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。由于光纤光栅的出现，使得许 多复杂的全光纤通信和传感网成为可能，极大的拓宽了光纤技术的应用范围。 由于光纤光栅传感器具有其他传感器无法比拟的优点，光纤光栅在传感器领域 武汉理工大学硕士学位论文 中的应用近年来引起了人们的极大兴趣，这种用紫外光在光敏光纤纤芯中制作 的光栅不仅具有易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高等特点，而且 作为传感元件，它有一个最为突出的优点：即感应的信息用波长编码，而波长 这个绝对参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的影响，传感信号可长距 离传输且不受电磁信号的干扰。特别是，还很容易在一根光纤上连续制作多个 光栅，所制得的光栅阵列轻巧柔软，与时分复用和波分复用技术相结合，很适 合于作为分布式传感元件埋入材料或结构内部，还可以贴装在其表面，这对于 目前国际上热门研究的智能材料、灵巧结构有着非常重要的意义。 2 1 1 光纤布拉格光栅的结构研究 1 9 7 8 年，h i l l 等人首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。h i l l 的早期 光纤是采用4 8 8 n m 可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的 光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来m e l t z 等人利用高强度紫外光源所形成 的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅， 1 9 8 9 年，第一支布拉格波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。近年来，随光纤 光栅的重要性被人们所认识，各种光纤光栅的制作方法层出不穷，它的制作主要需 要考虑如下一些因素： l 、光敏光纤的制备 采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的 写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光 强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下 来，就成为光纤光栅。 2 、成栅的紫外光源 光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在2 4 4 n m 紫外光的错吸收蜂附近， 因此除驻波法用4 8 8 n m 可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用 激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。 3 、成栅方法 光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，成栅条件苛刻，成品 率低，使用受到限制。目前主要的成栅方法针对不同种类的光栅有所不同，其中 短周期光栅常用的方法有内部写入法( 又称驻波法) 、相位掩膜法等等。长周期光 武汉理工大学硕士学位论文 纤光栅的制作则经常使用掩膜法、逐点写入法等等。c h i r p 光纤光栅的制作则用 到两次曝光法、光纤弯曲法、锥形光纤法、应力梯度法、复合c h i r p 光栅法等多 种方法。而近年来更是有了很多种新的成栅方法，包括直接写入法、在线成栅法、 光纤刻槽拉伸法、微透镜阵列法、用聚焦二氧化碳激光器写入l p g 、移动平台法、 用聚焦离子束写入光纤光栅等等。在不同的应用领域和不同的制备条件下，这些 方法有着各自的用途。 光纤光栅结构如图2 一l 所示。将纤芯掺锗的单模光纤放在紫外激光干涉场中 曝光，就可激起纤芯折射率周期性的非均匀分布，形成体全息光栅。设在均匀纤芯 中的折射率为n ，引起折射率非均匀分布后成为n ( x ，y ，z ) ，折射率峰谷差为 n ( x ，y ) ，非均匀分布区间长l ，并且认为纤芯折射率非均匀分布为正弦分布，则 纤芯折射率可表示为： n ( x ，y ，z ) 一n 0 ，y ) + n o ，y ) c o s ( a z ) ( 2 一1 ) z = z - l l 一l 一 五正 a 图2 - 1 ：光纤光橱的结构 x z 其中02 2n a ，0 是光栅的空间频率，人是折射率非均匀分布周期。由于纤 芯折射率非均匀分布，引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。在弱导时，忽略 偏振效应，吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏，则非均匀波导中的场 巾( x ，y ，z ) 满足标量波动方程： v + k 0 2 n 2 力+ 等 叱_ ) ，棚o ( 2 屯) 其中k o = 2 九， 是自由空间的光波长， v ，2 m 一吾塑o r + 害o r + 丢r 害o r 。 r zz z 武汉理工大学硕士学位论文 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中，因此非均匀波 导中的场可以表示为均匀波导束缚模式v ( x ，y ) 之和： 中 ，) ，z ) ，4 ( z ) 妒r o ，) ，) 2 芝k ，o ) e x p ( 一i t s ) + 4 ，o ) e x p ( i , e z ) p 。o ，y ) ( 2 - 3 ) a ，( z ) 表示了与1 l r ，( x ，y ) 相联系的全部随z 变化的关系，而a 。( x ，y ) 和a 一。 ( x ，y ) 分别是第1 个正向和反向传输模式的振幅。本文讨论中省略了所有对结论 无影响的e x p ( i6 0 t ) 因子。 其中，妒，y ) 满足方程： 扣，2 + 爵二o ，y ) 一群扣，o ，y ) 一0 ( 2 4 ) 将m 一4 妒，代入( 2 2 ) 式，结合( 2 4 ) ，并按模式耦合理论的一般方法进行处理， 化简时略去高次项，则可以得到一个正向传输模与同一反向传输模间的模式耦合 方程： d a _ ，l 。一i c 4 。e x p ( i 2 a f l z ) ( 2 5 ) d a - _ 型t 一i c n ，e x p ( 一i 2 a f l z ) ( 2 6 ) a 。和a + ，分别是1 个模的正向和反向传输幅度，b = 1 3 一 ，b = k 。1 3 是该模的 传播常数。实际上i 就是该模在纤芯中的有效折射率n 。c 是耦合系数： c _ 竽z 脚，p 2 削2 叼 ， 这里 ，7 一p2 6 4 p 2枷(2-8) 是芯层中的功率百分比。在阶跃折射率剖面光纤中，基模可以用高斯函数近似代替 代入( 2 - 8 ) 式： ，7 _ 1 一砉( 2 - 9 ) 在光栅入光端，l = 0 处，只有前向传输模，无反射模，因此有边界条件： a ，( o ) = l ，a 。( l ) = o ，利用此边界条件可解出方程： 武汉理工大学硕士学位论文 n 心) 。面而- 面c x p 习( i a f l 丽z ) 网仲s 叫s ( z 一蛐播伽h 【s ( z 一枷 ( 2 1 0 ) a 一，( z ) 。【i 石i 五c 矗i - j c 三x p i ( 二- i i ；a ：属5 r 硐) s i n h b 。一工) ( 2 1 1 ) 其中s2 = c2 一ab 2 由( 1 0 ) 和( 1 1 ) 式，可求出光纤光栅的透射率t 和反射率r ： w ，一鬻i 州，- | 篙卜面高器丽 r 仁) - t a n h 2 ( c l ) 反射率是光纤光栅的一个重要参数。 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 3 ) 和( 2 一1 4 ) 式直接描述了反射率r 与光栅长l 的关系。对于折射率峰谷差大的光栅，较短的光栅就可达到高的反射 率。折射率峰谷差n 一定时，光栅到一定长度后反射率可能达1 0 0 。光纤光栅 的另一个重要特性是谱线宽度。取半峰谱线宽度为光栅线宽a 。an 的变化对 a 九的影响是一线性关系，折射率峰谷差大会加宽谱线宽度。光栅的谱线宽度ax 还与光栅长度l 有关系。 由于周期的折射率扰动仅会对很窄小的一段光谱产生影响，因此如果宽带光 波在光栅中传输时，入射光将在相应的频率被反射回来，其余的透射光谱则不受 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( b r a g g ) 光栅，反 射条件就称为布拉格条件。在布拉格光栅中，反射波长由下式确定： a 九。= 2 n 。aa ( 2 1 5 ) 这里n 。f f 是光纤芯区的有效折射率。光栅栅距可以通过改变两相干紫外光束的 相对角度而得以调整，如( 2 一1 6 ) 式所示，通过这种方法，就可以制作出不同反射 波长的布拉格光栅。 a = u v 2 s i n ( 0 2 )( 2 - 1 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 光纤光栅的传感特性研究 根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时，满足b r a g g 条件的 光被反射，如图2 2 所示。而光纤b r a g g 光栅的反射或透射波长光谱主要取决 于光栅周期a 和反向耦合模的有效折射率m 。任何两个使这两个参量发生改 变的物理过程都将引起光栅b r a g g 波长的漂移。例如当f b g 上受到的一个振动 的微扰时，那么它会产生周期性的应变，于是这个f b g 的中心反射波长将产生 周期性漂移。检测这个周期性漂移的信号就可以获取振动的信息。 t r a n s m i t t e d s p e c t r u m r e f l e c t e ds p e c t r u m 反射光谱 x 光纤布喇格光栅传感原理 光纤b r a g g 光栅传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其 他代测物理量发生交化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率的变化，从而产生 光栅b r a g g 信号的波长位移x ，通过检测b r a g g 波长的位移情况，即可获得 待测物理量的变化情况。当宽带光源照射光纤时，由于光栅的作用，在b r a g g 波长处的一个窄带光谱部分将会被反射回来。反射信号的带宽和几个参数有关， 特别是与光栅长度有关，在多参数传感器应用中，典型的光栅反射带宽是0 0 5 0 5 n m 。 式( 2 1 6 ) 中a 为光栅周期，”盯为有效折射率，a 和”盯受到外界环境 的影响( 温度、应力、压力) 而发生变化，l 盯和a ，导致符合b r a g g 条件的波 长发生移位砧，由b r a g g 条件可得： 九：2 a n 。f f a + 2 仉f f aa( 2 - 1 7 ) 该式表明反射波长偏移与光纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关。当 光纤光栅受到轴向应力作用或温度的变化影响时，”玎和a 都会发生变化。应 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 力作用下的光弹效应导致折射率变化，形变使光栅常数变化；温度导致的光热 效应使有效折射率改变，而热膨胀系数致使光栅常数改变。 2 1 3 桥梁健康监测系统中主要的光纤光栅传感器嘲。例 光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机 电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗 电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。早期 的光纤传感器绝大部分是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是测量 光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量器件老化等因素会 影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，它要求干涉条纹清晰： 而清晰的干涉条纹来源于两路干涉光的光强相等，这使得光纤光路的灵活和连 接的方便等优点大打折扣。同时由于它是一个过程传感器，并非状态传感器， 要求有一个固定的参考点，也给工程应用带来了难度。因此这两类传感器在实 际的工程应用中，由于安装要求高、环境影响大而受到很大的限制。 目前，应变测试的主导产品是光纤布喇格光栅( f b g ) 传感器，它不仅具有普 通光纤传感器的许多优点，还有一些明显优于普通光纤传感器的地方：其中最 重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于：测量信号 不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量仪器老化等因素影响；避免 了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固定参考点的需要，能实现长期 绝对测量；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅， 对结构的应变和温度等进行高分辨率和大范围的分布式测量。当前，光纤光栅 传感器被普遍认为是实现“光纤灵巧结构”、“光纤机敏材料”的理想器件。其 在航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结构、建筑结构、桥梁结 构、医疗器具、核反应堆结构等都有广泛的应用。 f b g 传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射布喇格波长光谱 的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量，其传感原理如附图1 所 示。而f b g 的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期a 和反向耦合模的有效折 射率n 。，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布喇格波长的漂 移即有；k = 2 n 。a 在所有引起光栅布喇格波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因 武汉理工大学硕士学位论文 为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期a 的变化，并且光纤本 身所具有弹光效应使得有效折射率1 1 。也随外界应变状态的变化而变化，这为采 用光纤布喇格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。 八射光谴 圈 圈 图2 3 ：f b g 传感原理图2 4 ：f b g 分布传感系统的原理图 应力应变引起光栅布喇格波长漂移可以由下式给予描述： k 一 f ( 1 一p e t et 七。a s ( 2 ) 式中j k 为光纤的弹光系数：k ，为应变e 引起的波长变化的灵敏度系数，由于温 度变化而引起的b r a g g 波长变化量i a 。r 一岛r - 缸+ 宇) 丁 ( 3 ) 秭为温度t 引起的波长变化的灵敏度系数，d 为f b g 的热膨胀系数，亭为 f b g 的热光系数。由式( 2 ) 可知，基于此原理的f b g 应变传感器是以光的波 长为最小计量单位的，而目前对f b 6 波长移动的探测达到了p m 量级的高分 辨率。因而其具有测量灵敏度高的特点，而且只需要探测到光纤中光栅波长 分布图中波峰的准确位最，与光强无关，对光强的波动不敏感，比一般的光 纤传感器具有更高的抗干扰能力。由于拉、压应力都能对其产生b r a g g 波长 的变化，因此该传感器在结构检测中具有优异的变形匹配特性，其动态范围 大( 达i 0 0 0 0 1 0 6 ) 和线性度好。另一方面，在应变测量中，为了克服 温度对测量的影响，由公式( 3 ) 可以看出，在测量系统可采用同种温度环境 下的f b g 温度补偿传感器进行克服。 图2 4 是f b g 分布传感系统的原理图。准分布的多个f b g ，通过不同f b g 的 反射光波长( 九l ，入n ) ，与待测结构沿程各测量点( 1 ，n ) 相对应， 分别感受待测结构沿线分布各点的应力应变，使其反射光的波长发生改变，改 变的反射光经传输光纤从测量现场传出；通过f b g 解调器探测其波长改变量的 武汉理工大学硕士学位论文 大小，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 变的大小及在整个待测结构的分布状态。 在光纤光栅应变测试系统中，光纤光栅传感器获取的稳定、高精度的应变 信号，通过光缆远程传输送入调制调解器，然后直接输入计算机信息处理系统， 利用桥梁结构状况评估的专家系统，对桥梁结构的健康状况作出评价：安全( 正 常) 和不安全( 预警) ，同时将评估报告或桥梁的健康状况信息通过互联网及时 传输至桥梁管理部门，从而可实现结构在线健康监测的信息化管理。特别是从 光纤传感器到解调器之间的距离可达5 k m 以上，桥梁现场到解调器之间仅需一 解调器信号处理系统 图2 5 ：使用光纤光栅的在线安全监测系统示意图 根光缆连接，能实现桥梁的分布测量和集中监测处理。 图2 5 中的解调器及后续的设备置于集中监控室，避免了仪器在现场难于 保护的缺点，便于保养和维修，从而提高了监测系统的可靠性和易维护性。 因此，基于光纤光栅传感测试系统能建立起完善的桥梁在线健康监测系统， 从而实现对桥梁的在线、不间断监测。从技术角度而言，该系统具有安全运营 监测数据库的建立、存储、数据自检、分析；异常情况、记录、危险状况报警； 提供各类安全运营报表，桥梁病害诊断等；且系统自身运行可靠、传感元件寿 命长、便于维护保养等功能。 2 2 桥梁健康监测系统设计嘲伽1 桥梁在线健康监测系统的实旌，既要充分考虑对已有监测项目和测试手段 的利用，又要通过在线健康状况监测和异常报警的功能，实现长期健康监测为 桥梁管理服务的目的，逐步减少定期封桥检测的次数并降低桥梁的维修养护成 本。本节以武汉某大桥桥梁健康监测系统为例，详细介绍了该系统的设计。 武汉某大桥健康监测系统由硬件系统和软件系统构成。硬件系统由传感器、 武汉理工大学硕士学位论文 测试二次仪表、网络通信设备和计算机等构成；软件系统由各种硬件设备的驱 动、控制及通信软件构成，同时还包含对所测量的数据进行处理的数据库管理、 专家系统评估软件等。由软件和硬件系统密切配合实现长期健康监测及状况评 估的功能。 2 2 1 桥梁健康监测系统设计原则 ( 1 ) 可靠性：桥梁结构健康监测系统的长期运行的首要原则是工程可靠，要 选择国内外有业绩和应用实例的成熟产品和技术，以保证系统的目标要求和功 能得以实现。 ( 2 ) 先进性：武汉某大桥设计先进，结构复杂，技术含量高，为同类桥梁 的世界先进水平。健康监测系统采用的技术要与大桥的重要性相呼应，使系统 的监测能力能达到当前的国际先进水平。 ( 3 ) 可操作性和易维护性；健康监测系统应易于管理和操作，避免因复杂 操作带来的困难和失误。系统要能方便地升级和换代，不至于因为系统功能的 调整而破坏整个系统。 ( 4 ) 完整性和开放性：系统要能够采集到健康监测及状况评估所需的完整 信息，监测过程必须内容完整、逻辑严密，各功能模块之间既互相独立又互相 关联，避免故障发生时的联动影响。同时，随着健康监测技术的进步和发展， 系统要能够扩充以便增强监测功能。 ( 5 ) 历史与现实相接合：充分利用已有的桥梁档案和定期检测的线形、索 力资料，通过分析了解桥梁参数指标的历史变化和现状，在此基础上确定监测 内容。 2 2 2 桥梁健康监测系统监测内容n 帅3 1 武汉某大桥主桥段除斜拉桥以外，还包括大跨径的连续刚构和连续梁。长 期监测应考虑整个主桥的三种桥型，把斜拉桥段作为监测的关键，连续梁和连 续刚构段仅考虑关键截面的应变及温度监测。 斜拉桥段： 1 、主梁、主塔控制截面及锚箱应变监测； 武汉理工大学硕士学位论文 2 、主梁线形监测； 3 、主粱纵向位移监测： 4 、主梁振动特性监测； 5 、关键斜拉索索力、振动监测； 6 、温度监测。 连续梁及连续刚构段： 1 、连续梁控制截面应变监测； 2 、连续刚构控制截面应变监测； 3 、连续梁及连续刚构温度监测。 以上内容组成桥梁健康监测系统的长期监测项目，为了充分利用该桥已有 的监测手段，应考虑与原有监测内容的衔接。其他诸如连续梁及连续刚构变形、 塔顶位移监测、塔墩沉降、其余斜拉索索力和桥面板裂缝观测等桥梁例行检测 项目所获得的测试数据可以及时输入桥梁监测数据库，以便定期获取运营过程 中桥梁状况的完整信息。 当实时监测的应变、动态特性、索力和纵向位移等指标异常时，启动现有 的定期检测系统，测量主桥的线形和主塔的位移，以便相互验证。根据比较的 结果，掌握了实时监测与定期监测之间的对应关系及规律后，就可以减少定期 检测的次数，避免定期检测对交通造成的影响，以实时监测的结果作为检测维 修的依据。 以上各项监测内容的测试数据接入安装在现场监控室( 武昌岸桥头观景塔 内) 的计算机，监测信息经初步处理后通过计算机网络连接到桥梁监控管理中 心。实现在线监测、显示、处理和异常报警等功能，监测内容和系统结构参见 图2 - 6 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 ：武汉某大桥健康监测系统示意图 对每个子系统的功能和特点分述如下： ( 1 ) 应变监测： 桥梁结构破坏的主要原因是结构局部开裂和失稳，应力是最直接与安全有 关的因素，桥梁结构关键位置的应力是结构安全的熏要标志，因此应力监测对 结构安全性及健康状况的把握至关重要。但是一般无法直接测量得到材料的应 力，只能通过应变测试来反映应力。 应变测试传感器主要有电阻应变片、钢弦式应变计和光纤光栅应变传感器。 电阻应变片由于飘移( 温漂和零漂) 和易受干扰的本质决定了其长期稳定性不 好，即使进口产品也存在这一问题；钢弦式应变计由于钢弦丝随时间推移容易 发生蠕变，使用性能会随时间而变化。近来光纤光栅应变传感器的出现，给监 测混凝土应变增加了选择方案，与传统的钢弦式传感器进行比较，其具有寿命 长、稳定性好、体积小以及本身不受温度影响等突出特点。因此选用光纤光栅 应变传感器，能够保证监测的长期稳定，有较高的性能价格比。 ( 2 ) 温度监测： 武汉理工大学硕士学位论文 无论对于长期健康监测还是短期监测，桥址处的环境温度和桥本身温度场的 测量都具有十分重要意义，主要表现在两个方面： 1 、某些监测过程或传感器本身的测量精度受到气温的影响，如用频率法测 斜拉索索力时，温度会导致斜拉索振动基频的变化。通过对环境温度的监测可 以设法消除温度变化对这些监测过程或传感器的影响。 2 、通过对整桥温度场的监测，结合其他监测项目，可以了解桥梁结构在某 种温度场下的行为，如结构变形、内力变化等。 通过测量主梁表面温度、主塔内壁混凝土表面温度、斜拉索表层温度，对 不同温度状态下斜拉桥的工作状态变化，如变形、应力变化等进行比较，为定量 分析主梁内力及变形、主塔内力及变形、修正斜拉索拉力提供依据。 ( 3 ) 斜拉桥主梁纵向位移监测 主梁的纵向位移反映了桥梁顺桥向的摆动情况，通过对斜拉桥两端伸缩缝 处斜拉桥主梁和连续刚构主梁的间距测量，获取斜拉桥的纵向位移信息。 ( 4 ) 斜拉索索