光纤光栅传感器及其在土木工程中的发展应用.doc

1、.光纤光栅传感器及其在土木工程中的发展应用摘要：介绍 了光 纤光 栅的 传感 技术 及其 封装方 式，特 别是 采用 FRP 筋嵌入式 封装 光纤 光栅 传 感器 (OFBG) 制成的 FRP OFBG筋，并对光 纤光 栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测0、引言新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外 界引 起的 温度 、应力 应变 变化 ，具 有线性 程度 高、重复 性好等 优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的

2、质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点 J：如测量精度 高，抗 干扰 能力 强，可 在同 一根 光纤 上制 作多 个光 栅实 现分布 式测量，测 量范 围大，稳 定性、重复 性好，非 传导 性材 料，耐 腐蚀 、抗电 磁干扰 等特 点，适 合运 用于 恶劣 环境 中，避 免了 干涉 型光 纤传 感器相 位测量模糊不清等问题。光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文 先介 绍光 纤光 栅传 感技 术及 其封装 方式，并主 要阐 述光 纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。1、光纤

3、光栅的传感技术特点及其封装1.1 光纤 光栅 的传感 技术 特点 光纤 光栅就 是一 段光 纤，其纤芯 中具有折 射率 周期 性变 化 的结 构。光 纤光 栅传 感器 的基 本原 理为：光纤 光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。1.2光纤 光栅 的封装1) 基片式 封装。将光 纤光 栅装 在刻 有小槽 的基 片上，通过 基片 将被测结构的应变传到光栅上，封装 结构主要由金属薄片( 或树脂薄片 ) 、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基 片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。这种 传感 器结 构 简单 ，易 于安 装，但 容易 产生 应变 传递 损耗，使

4、得测量精度有所降低。1 / 4.2) 金属管式封装。管 式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该 封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。3) 夹持式封装。主要 思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹 持构 件，待 测结 构的 应变 通过 夹持 构件传 递给 光纤 光栅，其标 距长度可 根据 实际 需要 改 变。此种 传感 器具 有布设 简单 、可拆换 、耐久 性好、布线 方便 等优 点，可 作为 桥梁 、建 筑等 土 木工 程结 构施 工、竣 工试 验和运营监测的表面传感器。4) 嵌人式 封装。 这里 特别 介绍 FR

5、P-OFBG智能复 合筋 。FRP 筋是 采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维 增强 塑料 筋， 在 其制 备过 程中 放人 光纤光 栅， 便可 得到 FRP-OFBG 智能 复合 筋。该 复合 筋目 前研 究得 比较 多，它保 留了 FRP 良好 的力 学等性能，又具 备光 纤光 栅的 传感 特性，而且 大大 提高 了光 纤光 栅的应 变测量量程，是光栅传感器较好的一种封装方式。2、光纤光栅传感技术在土木工程中的发展应用2.1国外 发展 应用 14,51993年，在 加拿 大卡 尔加 里附 近的geddington Trail 大桥 是最 早使 用光 纤 光栅

6、 传感 器进 行测 量的桥 梁之一，18 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和碳纤维复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测。1999 年夏 ，在 美国 新墨 西哥 Las Cruces 10 号州际 高速 公路 的一 座钢结 构桥 梁上，安装 了 120 个光纤 光栅 传 感器，创造 了当 时在 一座 桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。2000 年，加拿 大在 Confederation 大桥 世界上 跨在 被 冰覆 盖的海洋上的最长桥中安装了一系列光纤布拉格光栅传感器对桥梁进行了健康监测，长期监测冰压力对桥梁墩柱的作用、温度影响、交通荷载以及风载下的振动情况。在地下工程、采矿业等

7、方面也开发许多针对性强的光纤光栅传感器 _6J 。 德国 的 GFZ Potsdam 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FBX地脚螺栓。这种新型的传感器是在一根玻璃纤维增强聚合物岩石地脚螺栓中埋人光纤光栅，用于探测岩石构成和岩石工程结构中的静态和动态应变。2.2 国内 发展 应用与 国外 光纤 光栅 技术的 快速 发展 相比 ，我国 在这方面的研究工作开展得比较晚。南开大学的董孝义课题组是国内最早研究光纤光栅的部门之一，在光纤光栅传感领域有着深厚的理论基础和实践经 验。2 / 4.在我国，光纤光栅传感器在桥梁等健康监测方面也有了一定的应用，相当 一部 分院 校

8、和科 研单 位，如清 华大学 、哈 尔滨 工业 大学、武汉理工 大学 以及 上海 紫 栅公 司等 ，开 展了 一系列 研究 和工 程应 用 6 ， 7l 。武汉理工大学光纤传感国家工业试验基地发展了多种形式的桥梁用光 纤 Bragg 光栅 传 感器 和光 纤 Bragg 光栅解 调器 以及 相应 的监测 系统，并 构建 了一 套完 整的 光纤 光栅 传感 器的埋 设工 艺，都 取得 了良 好的经济 和社 会效 益。哈尔 滨工 业大 学 欧进 萍院 士及 其课 题组在 国家 863 项目 、国家 自然科学基金等较多重大项目的支持下，从 2001 年开始，采用光纤光栅传感器进行了山东东营黄河公路大

9、桥、黑龙江呼兰河大桥等 10余项桥梁工程的结构健康监测【10 。在地 下工 程等 方 面也 有一 些应 用。 石家庄 铁道 学院 的研 究人员 Ill J 将光纤光栅温度传感器用于青藏铁路多年冻土区路基稳定性的长期监测，验 证了 光纤 光栅 传感 器的 测试 精度 和长期 稳定 性。 2006 年 8 月，哈尔滨工业大学的陈风晨等人在北京某已建高速公路上实地埋设了光纤光栅 应变 传感 器，对 沥青 路面 进行 结构 的应变 场测 试。北 京地 铁国 贸站项目 13 J 将光 纤光 栅传 感器 、光 纤光 栅一纤 维 复合筋 (FI .0lFBG) 应用到地铁车站的健康监测中，为地铁车站结构的理

10、论研究和设计方法的完善打下牢固的基础。目前土木工程监测研究最多的项目之一是索力的监测。就目前FRP-OFBG传感 筋在 索力 监测 运用 状况 17,183 看， 钢绞 线锚 索采 用 FRP一 0 jG 筋 传感 器进 行受 力监 测的 方式 大体有 两种 ：一 种是 直接增 加FRP-OFBG筋法， 在索 体中， 利用 锚具 内的 环氧 砂浆 固定 FRP-CIFBG 筋的两端， 或是 使用 夹具 等将 传感 筋的 两端 与钢绞 线绑 在一 起，使 FRP-OFBG 筋和钢绞线变形一致，组成自监测智能钢拉索 ; 另一种是直接增加FRP-OFBG智能 钢绞 线法 ，用 FRP-OFBG筋替 换普 通钢 绞线 的中丝 得到 智能钢绞线，在索体中部分采用智能钢绞线便可实现锚索的自监测。3、结语光纤光栅传感器由于尺寸小、线性 度优异、重复性好、非磁性、耐腐蚀等诸多优点，在土木工程结构的监测领域备受青睐。目前 研究 最多 的 是采 用 FRP 筋嵌 入封 装光 纤光 栅制 成的 FRPOFBG智能复 合筋，极大 的提 高了 裸光 栅的 应变 测量量 程，它 是一 种较 优异 的传感器 。工 程中 可通