光纤光栅传感器在桥梁长期健康监测中的应用

摘要：文章主要介绍了桥梁长期检测的意义于背景，以及桥梁的缺陷问题和主要的检测内容，并且结合光纤光栅的原理[1]、结构和在桥梁检测中的应用进行概述，本文最后展望了光纤光栅传感技术在桥梁检测中的广阔前景。

关键词：光纤光栅传感器；传感技术；桥梁健康检测

引言

重大的桥梁工程都是百年大计，但是由于各种外界环境的侵蚀，荷载的长期效应等和一些不可避免的的长期效应将会不可避免的导致结构和系统的作用能力下降，特别是在极端条件下可能引发事故。因此，为了更好的保证适用性和耐久性，对重大的桥梁工程都要增设长期的检测系统，长期的检测结构的安全服役状况，并且为结构的损伤演变提供了有效、直接的手段，还可以实时的提供检测数据，从而避免了重大事故发生。

1 桥梁主要缺陷和结构健康监测内容

1.1 桥梁主要缺陷

（1）桥梁外观的缺陷；

（2）裂缝问题：施工期间的各种预留的缝隙以及收缩缝，在桥梁的使用长期的工程中会引起锈蚀和冻融的循环作用引起裂缝的不断增大，盐类以及酸的环境引起裂缝等；

（3）内部缺陷；

（4）混凝土碳化、中性化；

（5）钢筋锈蚀。

1.2 桥梁结构健康监测内容

（1）桥梁处于正常运营阶段时的受力与物理状态；

（2）大型桥梁的环境；

（3）主要受力构件的耐久性表现；

（4）非主要构件的和一些附属的设施的工作状态；

2 光纤光栅传感器简介

2.1 光纤光栅传感器的结构[2]及工作原理

光纤光栅是利用光纤中的光敏性[3]制成的。光敏特性是指激光束射在光纤上时，其折射率就会在空间上有相应的变化值。而在芯片内部形成的空间相位，其本质就是一个带宽比较小的滤波器或反光镜。这时，通过光纤光栅的光敏特性在芯片里写入了一段光栅，当光源的光通过光纤时，在光栅处有选择的反射，其余的部分透射，再在下一个具有不同的波长的地方再次的反射。由此当外界的温度，应力等量变化时，导致的芯片里的折射率随之改变，这时反射的波长也发生了变化，通过两次的前后变化值，就可以获得测试物理量的变化情况。

2.2 光纤光栅传感器的应用特点

光纤光栅传感技术是直接对很多物理量感应[4]，而且可以感应温度和应变等微小量值的变化，还可以实现多个物理量同时测量，应用的范围及其的广泛。同时FBG还可以实现分布式的矩阵形式，从而实现多点同时提取数据和信号，达到我们对桥梁的预警和诊断的目的。其主要技术应用优势[5]包括：

（1）抗各种磁场的性能强，耐久性很好；

（2）测量的精度高，稳定性和可靠性好，可实现对大型工程的测量；

（1）数据的集成性很强，便于成网和通信技术以及无线传感相结合；

（2）重量体积小，便于安装和测试方便，特别的适用微小应变和温度的测试；

2.3 光纤光栅传感器在国内外实际工程中的应用

目前，由于高智能材料和传感技术的发展，光纤光栅更凸显优势，在土木工程的应用领域越来越热。国内外有很大光纤光栅传感技术的的成功案例，并且检测的数据结果比较理想。早在1989年的时候美国的布朗大学（Brown University）教授门徳斯（Mendez）第一个提出了此技术用于桥梁结构检测的可能性。之后的很多国家如，加拿大、德国、英国、日本、瑞士等一些比较发达的国家，在各种结构包括桥梁上的应用不断取得令人鼓舞的进展，其实，我国的光纤光栅传感技术的发展在90年代就开始了，清华大学、同济大学、重庆大学以及哈尔滨工业大学等知名高校对其进行了理论的研究和测试，取得较好的结果。现在，桥梁的长期检测中光纤光栅传感技术应用最为广泛。

2.3.1 国内应用案例

（1）哈尔滨四方台松花江大桥

此桥梁的检测采用了光纤光栅传感器，全桥有60个传感器，已经检测3年的数据，实现了传感器的成活率90%以上的测试。在桥梁的各种运营阶段提供了可靠的数据。

（2）南京长江三桥在基础的深水检测中安装了397个光纤光栅应变计和自补偿的温度传感器，此桥是目前在施工控制中安装有最多的应变计和温度传感器的桥梁。也给长三桥的控制带来了良好效果，带来了社会和经济效益，具有很重要的推广价值和意义。

2.3.2 国外应用案例

（1）1993年加拿大的Beddington Trail 大桥是最早用光纤光栅传感器进行检测的桥梁之一，全桥安装了16个传感器进行长期的检测。

（2）德累斯顿大学的 Meissner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中，测量荷载下的线性响应，并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[6]。

4 结语与展望

光纤光栅的传感技术具有独特的优势，不仅是测试的精度，耐久性、稳定性等，更重要的是灵活与方便，以及国内外的应用和研究表明，光纤光栅传感器的温度和应变的测量切实可行的。它的出现彻底的改变了传统的在土木工程中的检测手段，进入了自动化和智能化的研究新领域。另外，新型传感器的成活率一直受到工程界的广泛关注，日后，光纤光栅传感器的发展会愈来愈完善，更好的服务其过程结构应用，把原来没有生命力的传感器在桥梁的检测中赋予了感知和自诊断能力，对于桥梁的施工和长期的检测具有重大意义。随着光纤光栅传感技术的广泛应用，随着此技术的成熟和器件的不断提高，不久的将来光纤光栅传感器必将在海洋、化工、医学、水利水电、土木工程等各个领域有更为广泛的应用。

参考文献：

[1] 周智，欧进萍.光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用.

[2] 廖延彪，光纤光学，北京：清华大学出版社，2000：182-183

[3] 王建平. 光纤光栅传感器在土木工程结构健康监测中的应用. 贵州工业大学学报（自然科学版），2004，33（1）：77- 80.

[4] 赵仲刚，光纤传感与光纤通信

[5] Friebele P，et al. Fiber Bragg grating strain sensors：present and fu-ture applications in smart structures [J]. Optics and Photonics News，1998，（9）：33- 37.

[6] Kersey A D，et al. Progress towards the development of Practical fiber Bragg grating instrumentation system s [A] . Proc. SP IE [C].1996，2839：40- 63.