光纤光栅传感器在桥梁监测中的应用

1、光纤光栅传感器在桥梁监测中的应用物联网一班梁仁豪合肥工业大学宣城校区摘要：光纤传感器种类繁多，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：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非 常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用。本文中所探讨的光纤光栅传感器技术是近年来发展起来的新型 传感器技术。艺光纤光栅为基础的位移传感器应用于桥梁的健康状况的检测有很好的应用前景，光纤光栅 基友体积小，灵敏度高，绝缘，抗电磁干扰能力强等独特的优点。本文中列举了大量光纤光栅传感器在国 外的桥梁中的应用。关键词：光纤光栅；传感器；桥梁；缺陷监测1引言桥

2、梁在任何一个国家都是不可缺少的交通要道，桥梁的建造要比普通公路的建造复杂很多，而且桥梁 在使用中，特别需要保证桥梁的安全性。早在古代，我国著名匠师李春就建造了至今为止屹立不倒的赵州 桥，然随着时代的发展，拱桥巳经不能满足当代的要求，我们需要更多更大更结实的桥梁。重大桥梁工程 结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等 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，从而抵抗自然灾害、甚至正常 环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用 性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健

3、康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构 设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间 的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测巳经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。光纤光栅传感器的优点主要表现为：耐久性好，适于长期监测；无火花，适于特殊监测领域；既可以 实现点测量，也可以实现准分布式测量；测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；检出 量是波长信息，因此不受接头损失、光沿程损失等因素的影响；对环境干扰不敏感，抗电磁干扰；波长编 码，可以方便实现绝对测量；单根光纤单端检测，可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数

4、；信号、数 据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；光纤光栅尺寸小，测量 值空间分辨率高；输出线性范围宽，在量程范围内波长移动与应变有良好的线性关系；频带宽，信噪比高 等。正是这些突出优点，光纤光栅传感器受到土木工程领域的广泛关注与青睐。2光纤光栅传感器简介2.1光纤光栅传感器的结构及工作原理光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的，其折射率变化通常在10-510 -3之间，通过紫外光曝光的方法将入射光的相干场图形写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的 折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或

5、反射镜。光纤芯中的折射率调制周期A由下式给出:人=入uv /2 sin( 0 /2 )，式中入uv是紫外光源 波长，0是2相干光束之间的夹角。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。光敏性是指激光通过掺杂 光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其实 质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用光纤材料的光敏性，通过紫外激光在 光纤纤芯上刻写一段光栅，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，在光栅处有选择地反射回一个 窄带光，其余宽带光继续透射过去，在下一个具有不同中心波长的光纤光栅处反射。当光纤光栅所处环境 的温度、应力、应变等

6、物理量发生变化时，光栅周期或纤芯折射率随之发生变化，使反射光波长发生变 化，通过测量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。2.2光纤光栅传感器的特点光纤光栅传感器作为一种新型光纤传感器，对大多数物理量直接感应，可同时感应温度和应变，还可 以进行多个物理量的同时测量，其应用领域非常广泛。同时FBG传感器阵列可以实现分布式的传感网络, 对物体进行多点测量，提取相关的信号，进行状态分析，达到示警以及故障诊断的目的。其主要技术应用 优势包括：(1)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；(2 )抗电磁干扰能力强；

7、(3 )光纤光栅是无源传感器，不受电磁场的影响，也不发热，特别适于电磁场强烈的环境；(4 )光纤光栅的材料是非金属材料，耐腐蚀能力强；(5)光纤光栅传感器调制的是波长信号，不存在多值函数问题，与光源、传输和连接件的损耗等 强度信息没有关系，因而对环境干扰不敏感；(6 )光纤光栅可以单端输入和单端检测，减少了埋入光纤与探测元件的数量，特别适于物理量 (如应变和温度场等)的测量。3应用案例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。这座桥梁于1970年建成，巳 经出现了

8、许多疲劳裂纹，光纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和计数，而且要以测量车辆的速 度和重量，有了此系统，就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏，了解桥梁对交通响应的长期变 化。1997年，在美国俄亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的桥梁，复合材料在制作过程中埋入了光 纤光栅应变传感器，通过互联网可以有规律地监视桥梁的荷载响应和跟踪连接绳索的长期性能。佛蒙特大 学的一个研究小组用光纤光栅传感器远距离监测沃特伯里佛蒙特钢构架大桥，测量数据传输到中心计算机 进行分析并发布到互联网上。俄勒冈哥伦比亚河谷上的Horsetail fall桥是一座古老的桥梁，1914年建成，原为混凝土结构， 当初

9、设计没有考虑到现今的交通要求，后来采用纤维增强塑料复合材料对桥梁进行了加固，为了监视加固 后的结构情况。28个光纤光栅传感器安装在两根复合材料加固的混凝土梁上，从1998年开始至今，每个 月用便携式光谱仪测量一次数据。德国德累斯顿附近A4高速公路上有一座跨度72米的预应力混凝土桥，德累斯顿大学的Meissner等 人将布喇格光栅埋入桥的混凝土棱柱中，测量荷载下的基本线性响应，并且用常规的应变测量仪器作了对 比试验，证实了光纤光栅传感器的应用可行性。比利时根特的环城运河上建了一座147 m长的预应力混凝 土桥梁，桥的预应力梁在浇筑时埋进了 18个光纤光栅传感器，利用光纤光栅传感器对桥梁的建设过程

10、进 行了监视，并将长期监测桥梁的结构情况。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室，在瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架桥的建造过程中， 使用了 32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测，32个光纤光栅分布于箱形梁的 不同位置、用扫描法-泊系统进行信号解调。另外瑞士温特图尔的Storck桥也是最早使用光纤光栅传 感器的桥梁之一,桥的碳纤增强聚合物缆中安装了光纤光栅传感器对桥梁进行长期监测。加拿大温尼伯湖 附近的Taylor大桥也用了光纤光栅传感器进行监测。为了获得受损桥梁应变分布的更详细信息，美国海军研究实验室在一座1/4比例桥梁模型中埋入了 60个光纤光栅的传感系统，对模型进行了破坏测试。这套系统的典型响应时间是0.l s，非常适合静态应 变测量，但不适于动态应变测量，因为受到了用于波长漂移测量的可调法-泊腔滤波器扫描速度的限制。4结论桥梁缺陷检测及结构健康监测系统中，传统的监测方法一般采用在桥梁表面安装应变片的方式;应变 片的技术巳相当成熟，但暴露出很多不足的地方，例如：布线繁杂，不易组网，易受电磁干扰等；目前国 内外大量桥梁监测实例表明，光纤光栅传感