光纤光栅传感器在桥梁监测中的应用

摘要：文章阐述了光纤光栅传感器的工作原理和用于桥梁监测的特点，重点给出了光纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用。

关键词：光纤光栅传感器 桥梁监测 缺陷检测

1.引言

在桥梁的在线监测中，以往主要采用常规的电类传感测量技术如电阻应变片、振弦式传感器等。但电阻应变片发生的零点漂移会使其长期测试的结果严重失真；振弦式传感器的灵敏度和稳定性虽然较好，但因为钢弦丝长期处于张紧状态，蠕变因素影响较大。由于常规的电类传感检测手段易受电磁干扰、布线复杂、时效性低等问题，并且所测量的瞬时结果不能准确连续预报桥梁工作状态等缺点，因而均难以实现对桥梁结构安全状态的长期监测。

自1993年加拿大多伦多大学的研究者率先在卡尔加里的贝丁顿特雷尔桥上布置光纤传感器进行桥梁监测至今，光纤光栅传感技术已广泛应用于桥梁等重大土木工程的监测中。目前国内也已开始在桥梁监测中应用光纤光栅传感技术，如南京长江第三大桥、巴东长江大桥等。

2.光纤光栅传感器的工作原理

Bragg传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射布拉格波长光谱的检测，来实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量。而Bragg光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和纤芯的有效折射率neff，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移。光纤光栅中心波长为：λB=2neffΛ（式中neff为光纤光栅的有效折射率；Λ为光纤光栅间隔或周期）。

当宽光谱光源照射光纤时，由于光栅的作用，在Bragg波长处的一个窄带光谱部分将被反射回来。反射信号的带宽与光栅长度有关，典型的光栅反射带宽是0.05~0.3nm。Bragg光栅应变传感器是以光的波长为最小计量单位的，而目前对Bragg光栅波长移动的探测达到了pm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置，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。

3.光纤光栅传感器用于桥梁监测的特点

光纤光栅传感器是以光为变换和传输的载体，利用光纤传输信号。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化，它代表着新一代光传感器的发展方向。主要特点为：

(1)准分布式全光测量及传输。光纤光栅传感器本身为无源器件，温度感测及传送均为光信号，因而监测现场没有电子设备，不受电磁干扰。只需对集中监测站及无人值守监测站供电。

(2)测量精度高、分辨率高、测量范围大。光纤光栅温度传感器的测温精度为0.5℃，测温分辨率为0.1℃。光纤光栅应变传感器的测量精度为1με，应变分辨率为0.8με，测量范围最大可达0~8000με。

(3)系统安装及长期使用过程中无需定标。光纤光栅为绝对量测量，本质稳定，不存在零点漂移。由于光纤光栅采用光中心波长表征温度测量值，属于数字量，光源的老化衰减及传输光纤布设、使用过程中，由于弯曲、扰动而引入的光信号衰减不影响测量精度。

(4)引出线少，系统成本低。单根光纤可以串联30多个传感器，避免了传统传感器单个单线的多线烦恼。几十个光纤光栅传感器可以通过单根光纤引出。

(5)便于重复使用。光纤光栅传感网络分析仪可以同时用于温度、应变、位移、加速度、压力等不同类型的光纤光栅传感器。

(6)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀。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。光纤光栅应变传感器在几百个微应变范围内反复拉压，经过2000万次疲劳试验，零偏值仅变化三四个微应变。

(7)使用寿命长。所有传感系统采用的原材料多属于光通讯领域，有严格的寿命限制，光通讯行业要求所有的元器件使用寿命25年。

4.应用光纤光栅传感器检测桥梁主要缺陷

运用光纤光栅传感器可以检测桥梁以下主要缺陷：

4.1混凝土表面和钢结构表面的裂纹信息监测。裂纹信息监测主要选用光纤光栅大应变传感器(裂缝计)，该传感器量程可达100000Me，可以直接用于小于20mm的裂缝监测，精度可达0.002mm。

4.2位移(或大裂纹)信息监测。大裂纹或位移监测可以选用光纤光栅位移传感器(挠度计)，该传感器具有安装方便、线性度和重复性好、精度较高、成本低等优点。其最大量程可调(一般为10～20cm)，精度可达0.01mm。

4.3混凝土表面应变测试。高耐久性焊接式光纤光栅应变传感器主要应用于混凝土表面应变测试，该传感器可以根据要求任意改变标距长度，最小可达1～2cm。其主要性能指标：量程>5000Me；精度为1～2Me；迟滞系数

4.4钢筋混凝土结构内部钢筋的应变测量。高耐久性封装光纤光栅钢筋计，采用隔离封装技术，制作的应变传感器对钢筋受力没有加强作用，可以准确测得钢筋混凝土结构中钢筋的平均应变，具有布设方便、性能稳定、串连成网、测试准确、精度高、便于长期监测等优点。

5.光纤光栅传感器在结构健康监测系统的应用及其前景

光纤传感器的损耗极低，适合于长距离传输和监控，这在一些大型的土木工程结构中尤其重要。从以上光纤传感器的众多优点可以看出，光纤传感器具有广阔的应用前景。但就目前看来，最有发展和应用前景的是如下两类光纤传感器：一类为抗恶劣环境的光纤传感器，此时传统传感器无法胜任。如在混凝土中埋入或者是测量高电压，这是利用光纤传感器独特的抗电磁干扰和抗腐蚀等特性；另一类为准分布或者分布式光纤传感器，这可以说是传感器技术的一场革命，它不仅能测量传感器处的变形或者应力等物理量，而且同时可以得知位置，这样一根光纤就可以测出结构参数大致的分布状态，进行实时监测。

6.结语

光纤光栅传感器由于测试精度高，耐久性和重复性好,抗电磁干扰能力强,耐腐蚀性能高,已经成为桥梁缺陷检测和结构健康监测的重要测试手段。随着智能传感技术的不断成熟,光纤光栅传感器解调技术的进步,桥梁缺陷检测和结构健康监测系统的成本将大大降低,其应用前景也将更加广阔。