光纤应变传感器测试系统在桥梁检测中的应用

摘要：针对监测钢筋混凝土桥梁营运过程中应力状态所使用的应变传感器，介绍其性能特点、安装位置及使用方法。对提高桥梁结构的安全使用与维护管理水平能起到促进作用，另外在提高我 国大型桥梁的设计和分析能力上也具有积极的意义。

关键词：钢筋混凝土桥梁；光纤；应变传感器；检测系统

中图分类号：U448.34文献标识码： A 文章编号：

传统的桥梁检测方法是以对桥梁的定期人工静力和动载试验检测为主，它的结果一般只能针对部分己确认为长期缓慢变化过程的影响桥梁结构内力状态的因素实施检测，缺乏对短期的或偶发的不利环境因素与相应的桥梁结构内力响应，实行灵活检测 的能力，以及通过实际经历的记录检测桥梁结构抵御不利环境因素能力。因此设立能根据环境因素变化、自动检测桥梁结构状态的智能化结构安全检测系统是本设计的首要目的。采用现代化 的结构检测与分析手段设立大桥结构安全监测系统，也是为大桥管理者观测和了解大桥结构的过去和现状提供科学的数据积累和分析依据。其中观测的目的和检测次序的有序性是合理维护检测数据库、方便查询了解结构状态的必要条件。智能化、微型化 、 低功耗、无线传输、便携式将成为新型传感器的未来发展方向。重点开发新型光敏、磁敏和超导敏感材料以及金属氧化物和传感型合金材料。新型敏感材料应用于大桥结构安全监测系统，对提高大桥结构的安全使用与维护管理水平能起到促进作用，在提高我国特大型桥梁的设计和分析能力上也具有积极的意义。

1、结构应变测量新进展

应变片电测技术是各类工程结构中常用的一种无损检测方法，但常规电阻应变片的测试结果受温度、湿度、导线长短等等 环境因素的影响很大。为提高应变片测量技术检测混凝土的可靠性及精确度，并扩大其应用范围，有关人员总结了许多实测经验， 提出改进措施，使电测技术能更广泛应用于工程结构。

随着科技发展，具有特殊的传感器结构可直接埋入混凝土中，亦可粘贴在被测结构表面。以光纤传输信号为代表的全新的传感系统，在实际应用时无温漂、时漂，精度、稳定度超群，不受引线长短、接线状况变动影响，无电磁干扰。环境条件要求很低，系统不需调零、可直接测量。光纤传感器是近10多年来迅速发展的一种新型传感器，由于它不仅具有光纤传感器的非导电性、体积小、抗电磁干扰强等优点，而且能实时对一维连续空间

作多点测量，因而能对许多大型设备或物体(如发电机组、智能大厦等)进行实时多点监测，这样既大大地降低了单点检测成本， 又消除了检测盲区因此具有良好的实际应用前景。目前光纤应变

传感测量系统的主要指标有：测量范围可控制为一1000微应变至+1000微应变，分辨力优于0.1微应变，长期稳定性优于1%F・S 。

2 光纤传感器检测混凝土裂缝

混凝土结构的主要质量问题，是防止产生裂缝。混凝土裂缝( 包括贯穿缝、深缝、0.2～o.3 mm以上的裂缝)直接破坏了结构的整体性，承载能力大为降低，结构出现危险的最明显的信 号。按损伤力学的观点，材料破坏是内部损伤积累过程中的突变 (灾变)，裂缝正是内部损伤达到危险程度的集中表现。及时捕捉、 检测到裂缝，必能有效地提高安全监测系统的预警作用 。

光纤传感用于混凝土检测 比传统技术具有明显优势:(1) 能实现分布式检测，从根本上克服点式检测的空间不连续性造成的漏检、漏报险情问题；(2)精巧轻柔，不致影响埋设部位的混凝土的性能和力学参数，不影响观测值的代表性；(3)抗电磁干扰，可靠耐久，灵敏度高，易与光纤传输集成，共同构成遥测自动化系统。分布式光纤传感是光纤传感领域的最新发展，提供监测量沿光纤全程的连续分布，对裂缝检测特别有价值，能实现连续、立体检测。

3、桥梁检测系统

本系统是一斜拉桥的安全预警系统中混凝土索塔和主粱的应力检测部分。斜拉桥是一种独特的桥梁构架形式，其在桥梁建设中推广使用的历史比较短暂。结构特性、抵御环境干扰的能力、 管理维护等方面可借鉴的经验不多，因此建立根据环境因素变化、自动检测桥梁结构状态的智能化结构安全检测系统是很有必要。

采用现代化的结构检测与分析手段设立大桥结构安全监测系统，也是为大桥管理者观测和了解大桥结构的过去和现状提供科学的数据积累和分析依据。其中观测的目的和检测次序的有序性是合理维护检测数据库、方便查询了解结构状态的必要条件 。大桥结构安全监测系统的设立对提高大桥结构的安全使用与维护管理水平能起到促进作用，在提高我国特大型桥梁的设计和分 析能力上也具有积极的意义。

混凝土索塔和主梁的应力检测部分采用光纤光栅传感器和解调设备构成。系统共有15条光纤传感通道，15条通道均匀分布在1000m长的桥的要求横截面上，通道间距65m。每个横截面

上布设光纤光栅应变传感器14支，温度补偿用光纤光栅传感器 3支，每个传感器间距3m。其中在每个索塔的零号块处连接索塔 的应变的6个光栅应变传感器，2个温度补偿。

需要的基本设备：连接传感器和解调设备的15条单芯光缆， 长度分别为：1000m，935m，870 m，805m，740 m，675m，610 m ， 545m，480m，415m，350m，285m，220m，155m，90m，总计8175m。光纤传感器间连接用单芯光缆3000m。光纤光栅应变传感头数量 为21O支(15×14，每通道传感器数量14支，共15个通道)。温度补偿用光纤光栅传感器数量为45支(15×3，每通道传感器数量3支，共15个通道)。光开关数量为4个1×4的光开关，如使用单通道解调设备需要1个1×16的光开关(可集成于主机 里)、1套4通道光纤光栅传感解调系统(可集成于主机里)、数据处理及控制用 1台 P C( 可集成于主机里)、传感器安装用卡件及其他工具( 熔接机，电容放电枪等)。

4、结论

应用分布式光纤裂缝传感网络和新型转换机制，由材料的力学断面直接转换成光纤微弯损耗，具有全分布检测功能，可以保 证检测面的广度。光纤传感器的主要性能基本上达到工程要求。这种新检测系统的发展为混凝土桥梁检测提出了新检测思想基础，鉴于这种精细技术与实际工程间还有一段距离，其实用性有待工程的进一步试用和改进。