苑立波

（1．哈爾濱工程大學 理學院 光子科學與技術研究中心，哈爾濱 150001；2．黑龍江省光纖傳感科學與技術重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 引 言

光纖傳感器以其在復合材料與結(jié)構(gòu)應用中的優(yōu)勢，開啟了一個新的研究領域——光纖智能結(jié)構(gòu)，從而使建筑結(jié)構(gòu)工程師可以在他們的設計中引入光纖傳感系統(tǒng)。用這些傳感系統(tǒng)裝備的高樓、大壩和橋梁等建筑結(jié)構(gòu)就擁有了一個信息傳送中樞系統(tǒng)，它能夠在地震或暴風雨后，或者是在使用一段時間后報告這些建筑結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

智能結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)首先需要有一個能夠感知并傳導材料變化的神經(jīng)系統(tǒng)，并且該神經(jīng)系統(tǒng)本身可以作為材料結(jié)構(gòu)的一部分。光纖傳感技術由于具有以下特點，因此可以用來充當這種神經(jīng)系統(tǒng)：①光纖傳感器具有尺寸小和較好的柔韌性的特點，因此可以直接集成到復合材料中；②在一條光纖光路中可以集成多個傳感器，實現(xiàn)多路復用，從而降低傳感系統(tǒng)的造價并減少輸入和輸出的連接點數(shù)量；③由于光纖材料自身的特性，光纖傳感器是電絕緣的，而且不受電磁場的干擾。

本研究的目的是介紹基于光纖白光干涉的傳感器設計、復用和聯(lián)網(wǎng)技術，利用改進的白光干涉光纖傳感技術來滿足大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的要求。重點介紹如下幾個方面：

1）埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖應變傳感器單元的設計；

2）光纖保護層對埋入式傳感器性能影響的理論分析模型；

3）埋入式光纖白光干涉?zhèn)鞲衅鞯牧W性能和熱性能；

4）光纖白光干涉?zhèn)鞲衅鞫嗦窂陀眉夹g的理論和試驗；

5）光纖白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)在大型智能結(jié)構(gòu)中的聯(lián)網(wǎng)技術及其環(huán)路拓撲結(jié)構(gòu)。

光纖傳感系統(tǒng)可以感知應力和溫度信息。由于光纖既可作為感知器又可作為傳輸數(shù)據(jù)的信道，因此理論上可以測量沿光纖長度上任意一點所受的應變和溫度。這個獨特的特性使光纖能夠在監(jiān)測建筑結(jié)構(gòu)時對結(jié)構(gòu)的潛在危險提供早期預警，也可以檢測地面運動或超載造成的結(jié)構(gòu)中某處的超額應力。此外，還可以將一根標準的光纖分布安裝在一個或一組建筑結(jié)構(gòu)中，用來監(jiān)測結(jié)構(gòu)中的過熱點并給出過熱點的具體位置。這種光纖傳感技術可以在極早期發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的斷裂或火災，從而可以最大限度地減少人員傷害和財產(chǎn)損失。

這種新的光纖傳感監(jiān)測技術有4個主要的應用領域：①結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和損傷評估；②實驗力學的應力分析與測量；③周界安全的監(jiān)測與預警；④系統(tǒng)的設備運行狀態(tài)報告和管理控制。

首先，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和損傷評估包括對不同種類混凝土結(jié)構(gòu) （如混凝土梁、柱、拱和板）的彎曲和撓度的測量；其次，由于很難對復雜結(jié)構(gòu)的應變場建立準確的模型，因此在實驗應力分析領域，可以利用光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g測量復雜結(jié)構(gòu)的應變場，然后通過比較應變場和撓度的實際測量值和模型計算值確定更精確的設計參數(shù)，進而提高結(jié)構(gòu)的安全性并降低建造成本；光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g特別適合的第三個應用領域是目前市場需求日益凸顯的周界安全的監(jiān)護與預警，如：國境邊界線的入侵警戒與防護；圍欄的懸掛式防衛(wèi)；高速公路兩側(cè)以及飛機場周界的防護；核電站等重要區(qū)域的周邊防護警戒；第四種應用包括橋梁的交通流量測量和機場跑道的監(jiān)測。這種監(jiān)測系統(tǒng)能夠確定大型或高速卡車通過橋梁時超載路段的長度和頻率，也可以監(jiān)測機場跑道的飛機著陸情況。傳感系統(tǒng)獲得的這些信息可以幫助我們評估類似事件對建筑結(jié)構(gòu)造成的影響。

基于以上考慮，發(fā)展實際的白光干涉光纖傳感和測量技術是十分重要的?？蔀樵O計和制作實際的監(jiān)測系統(tǒng) （易于運輸和安裝、成本低、可靠性高、可以多點測量和多路復用）提供理論與技術上的支持。為深入開展工程技術研究，如：國家邊境安防，機場、核電站等重要區(qū)域的周界警戒；水庫大壩、橋梁、山體斜坡、高速公路或超高層建筑等大型結(jié)構(gòu)中安裝或埋入光纖傳感器的實際工程技術應用提供了有價值的方法和經(jīng)驗。

光纖傳感器 （FOS）技術的研究已經(jīng)有40a的歷史。與之前的電傳感器相比，光纖傳感器具有一系列優(yōu)點，這些優(yōu)點正在改變現(xiàn)有產(chǎn)品的制作方式，并為許多新系統(tǒng)的出現(xiàn)創(chuàng)造了機會。重量輕、尺寸小、抗高溫和抗電磁場干擾等優(yōu)點使光纖傳感技術在工業(yè)領域，尤其是在光纖智能結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應用前景?；谶@一原因，近年來分布式和多路復用光纖傳感引起了人們廣泛的研究興趣，發(fā)展了多種方法來實現(xiàn)全光纖傳感系統(tǒng)。目前已經(jīng)有多種成功用于智能結(jié)構(gòu)的光纖傳感器案例，如光纖布拉格光柵傳感器，基于布里淵散射的BOTDR系統(tǒng)等。本研究主要集中在測量分區(qū)以及區(qū)域內(nèi)平均尺度較長的白光干涉光纖傳感技術，因為在眾多的建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測應用中，必須采用大尺度傳感器才能實現(xiàn)區(qū)域測量目標?；诖笮徒ㄖY(jié)構(gòu)的要求，進一步發(fā)展白光干涉光纖傳感技術，如大尺度光纖傳感器的設計及其復用技術、提高光纖傳感器多路復用能力的方法和傳感器的聯(lián)網(wǎng)技術，對于實際應用具有非常重要的意義。

除了具備光纖傳感器所共有的優(yōu)點，白光干涉技術還可以進行絕對形變的測量，這對以高相干度激光為光源的傳統(tǒng)光纖干涉儀來說是無法實現(xiàn)的。光纖白光干涉儀的另一個優(yōu)點是不需要使用相對復雜的時域或頻域復用技術，就可以在空間相干域?qū)⒍鄠€傳感器的信號復用到一路光信號中。另外，由于白光光纖干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的傳感器部分僅由一段標準光纖構(gòu)成，因此傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于制作和安裝，并且傳感器的長度選擇具有很大的靈活性，可以短至幾厘米，也可以長至數(shù)十米甚至數(shù)百米。以上這些特性使白光光纖傳感系統(tǒng)對使用者具有顯著的吸引力。

1 智能結(jié)構(gòu)的概念

20世紀末多學科的交叉應用使工程設計理念發(fā)生了革命性的改變，并賦予無生命的結(jié)構(gòu)以智能的特性。材料和結(jié)構(gòu)工程、傳感系統(tǒng)、執(zhí)行和控制系統(tǒng)以及神經(jīng)網(wǎng)絡等多個學科的相互融合產(chǎn)生了多種多樣的結(jié)構(gòu)［1］，其重要性見圖1。這一新技術的應用可以使某一結(jié)構(gòu)能夠感知、響應外界的環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境的變化自動調(diào)節(jié)自身的狀態(tài)。這一轉(zhuǎn)向工程學科的范例意義深遠，使得我們得以看到未來這一技術的影響。

圖1 材料與結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、執(zhí)行與控制系統(tǒng)和自適應學習神經(jīng)網(wǎng)絡等4個學科相互交叉形成的結(jié)構(gòu)特性 ［Measures，1992］Fig．1 Structure possibilities created by the confluence of four disciplines：materials and structures，sensing system，actuator control systems，and adaptive learning neural network［Measures，1992］

“智能”這一術語已廣泛用于我們?nèi)粘Ｓ谜Z之中［2］，而自診斷是智能結(jié)構(gòu)發(fā)展的第一步。當一個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生故障或受到損壞時，如果自身不能感知，那么就很難稱之為 “智能”。在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自診斷功能的眾多方法中，將光纖傳感器集成到結(jié)構(gòu)中是最有發(fā)展前景的方法之一，通常稱之為 “結(jié)構(gòu)集成”。所謂 “結(jié)構(gòu)集成”，就是將傳感器固定在結(jié)構(gòu)表面或埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并將傳感器看作整個結(jié)構(gòu)的一部分，從而使結(jié)構(gòu)具有內(nèi)置的傳感特性。這種傳感系統(tǒng)能夠連續(xù)監(jiān)測主結(jié)構(gòu)的狀態(tài)并對施加在主結(jié)構(gòu)上的載荷 （熱載荷和機械載荷）作出響應，因此在許多工業(yè)領域能夠提高其安全性能和經(jīng)濟效益。

Measures在1989年對 “智能結(jié)構(gòu)”進行了闡述［3］，提出 “被動控制式智能結(jié)構(gòu)”是指在結(jié)構(gòu)中集成了光纖傳感系統(tǒng)以檢測結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；而 “主動控制式智能結(jié)構(gòu)”除了包含結(jié)構(gòu)集成的光纖傳感系統(tǒng)，還有執(zhí)行系統(tǒng)；1990年Wada等人提出將僅包含傳感元件的結(jié)構(gòu)稱為 “感知結(jié)構(gòu)”更合適［4］。本文中，將下面3類統(tǒng)稱為智能結(jié)構(gòu)：①結(jié)構(gòu)集成的傳感系統(tǒng)；②結(jié)構(gòu)集成的傳感和執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行控制系統(tǒng)使用感知信息來改變結(jié)構(gòu)狀態(tài)；③結(jié)構(gòu)集成的傳感和執(zhí)行系統(tǒng)，并能夠從經(jīng)驗中學習的結(jié)構(gòu)。

本文所提及的傳感系統(tǒng)主要是指基于光纖技術的傳感系統(tǒng)。

2 光纖傳感器在智能結(jié)構(gòu)中的應用

由于受研究人員的偏見和知識局限性的影響，對任何新產(chǎn)生的學科進行準確地描述都不是一件容易的事。然而，總會存在一些人們普遍認可的用于表征事物發(fā)展經(jīng)過的里程碑事件。1978年Butter and Hocker［5］證明了光纖干涉法測量機械載荷對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應變，可以看作光纖結(jié)構(gòu)傳感領域最早的里程碑之一；Varnham等人［6］介紹的基于偏振的光纖應變儀也很重要，此傳感器說明了如何隔離傳感區(qū)域與利用不敏感光纖連接導線構(gòu)成局部傳感器；Corke等人［7］使用相同的原理制作了局域光纖溫度傳感器；Valis等人［8］指出 “應變張量”的測量對于唯一確定結(jié)構(gòu)應變狀態(tài)的重要性，并研制了第一個實用的光纖應變花 （strain rosette）［9］，同時也證明了為什么光纖結(jié)構(gòu)傳感器比傳統(tǒng)的應變計更適合在材料中集成；Lee和Taylor提出在光纖端面鍍上一層TiO2，然后把這段光纖與另一段光纖熔接在一起，從而在光纖內(nèi)形成反射鏡的可行性［10］。他們利用這一方法在光纖內(nèi)制作了兩個反射鏡，形成了第一個內(nèi)腔式光纖法布里－珀羅干涉儀。這一裝置表明光纖應變計具有尺寸小，靈敏度高，輸入光纖不靈敏的特點；與此同時，Murphy等人于1991年介紹了外腔式光纖法布里－珀羅干涉儀［11］。

1978年Hill等人在光纖智能結(jié)構(gòu)領域取得了突破性進展［12］，他們發(fā)現(xiàn)了利用紫外線照射在光纖芯內(nèi)刻寫布拉格光柵的方法；Meltz將這一發(fā)明轉(zhuǎn)化成了實用器件［13］，并指出了用波長為248nm的紫外線對GeO2摻雜光纖的一段進行橫向全息照射可制成外芯布拉格光柵的可能性；Morey指出這樣的光纖布拉格光柵可以使光應力計具有較高靈敏度而光纖連接導線并不靈敏［14］。這種類型的傳感器的很多性能優(yōu)于法布里－珀羅傳感器，例如傳感器尺度的多樣性和生產(chǎn)的自動化即在制作光纖的過程中用強紫外線閃光照射即可完成光柵的制作［15－18］。橫向 全息光柵寫入方法已基本被成本更低的相位掩膜技術 （phase mask technique）取代［19］。1992年，Measures等人開發(fā)了一種簡易的被動讀取光纖光柵的方法［20］。目前，越來越多的光纖布拉格光柵問訊系統(tǒng)已被世界上許多公司商用化。

Sirkis和Haslach首先認識到在將光信號解釋成基體材料的應力之前，應對一些主要問題進行論述，無論此光信號是來自法布里－珀羅干涉儀的相位變化還是布拉格光柵傳感器的波長變化［21］。

任何重視結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性的復合材料用戶都將受益于簡單的內(nèi)置光纖損傷測試系統(tǒng)。嵌入光纖的斷裂是一種最簡易的損傷評價技術。最初為實現(xiàn)這一概念的嘗試而構(gòu)建的系統(tǒng)只能檢測重度損傷［22－23］。Measures等設計了一種特殊的刻蝕處理方法，這種方法使光纖的損傷靈敏度可調(diào)整到幾乎肉眼看不出的沖擊損傷［24］。嵌入到飛行器機翼前緣的剛體成功展示了這種光纖能夠檢測沖擊引起的斷層區(qū)域的能力［25－26］。

光纖結(jié)構(gòu)傳感器的多路復用串行和并行陣列及分布式應力測量代表了當前光纖結(jié)構(gòu)傳感的發(fā)展及應用領域的焦點。一些課題組包括美國海軍研究實驗 室 （the U．S． Naval Research Laboratory）［27－28］，肯特大學 （University of Kent）［29］，南安普頓大學 （University of Southampton）［30－32］和多倫多大學 （University of Toronto）［33］已經(jīng)在這一領域取得了重大成就。

專題會議的出現(xiàn)是確認新研究領域蓬勃發(fā)展的晴雨表。1988年SPIE在波士頓首次主辦的光纖智能結(jié)構(gòu)和皮膚會議也可歸類為光纖結(jié)構(gòu)傳感領域［34］。美國于1991年11月組織的有關活性材料和自適應結(jié)構(gòu)的研討會是第一個涵蓋了智能自適應結(jié)構(gòu)各個領域的國際會議。但早在1990年，在夏威夷的檀香山 （Honolulu）就舉辦了美日智能材料和系統(tǒng)的專題研討會［35］。

專門學術雜志的創(chuàng)辦也是對一個新領域認可的更清晰的標志。1990年Technomic Publishing，Inc出版社Craig Rogers主編出版了 《智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)》；1992年英國物理學會 （the Institute of Physics）的 Richard O．Claus，Gareth J．Knowles，和Vijay K．Varadan主編了 《智能材料與結(jié)構(gòu)》。

這一領域的第一個主題為用于智能復合材料（OSTIC）的光傳感技術的歐洲計劃于1988年作為BRITE－EURAM項目發(fā)起的［36］。這一計劃旨在復合材料中演示動態(tài)應力測量以及利用單根傳感光纖同時檢測應力和溫度。前一目標由開發(fā)了相干多路復用偏振計傳感器的Bertin et Cie負責［37］。斯特拉思克萊德大學 （University of Strathclyde）主要承擔了后一研究目標的工作［36］。

1992年12月首次發(fā)起了用于建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖傳感系統(tǒng)的BRITE－EURAM II計劃，其中包括來自5個國家的8個研究機構(gòu)和5個工業(yè)實體［38］。這個3a計劃的目標是要演示民用和軍用工程的傳感器。然而在民用工程中考慮了高度加壓的基體，例如斜拉索、懸吊纜、繃繩地錨和預應力筋用錨具。

1993年首次在一座新建的公路橋的預澆筑混凝土橋梁中埋入了光纖結(jié)構(gòu)傳感器陣，這是光纖結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一個重大里程碑［39］。加拿大南部的卡爾加里 （Calgary）的Beddington Trail Bridge首次在橋梁中使用了碳化纖維，進一步提高了此進展的重要性［40］。在600d中對各傳感器進行不定期監(jiān)測以跟蹤碳化纖維和鋼筋所經(jīng)受的應力消除。

第一座所謂的 “智能橋梁”為革新結(jié)構(gòu)智能傳感核心網(wǎng)的形成開創(chuàng)了先例。這個重大的加拿大新方案是為了發(fā)展并將復合材料與光纖結(jié)構(gòu)傳感應用到建筑工業(yè)中而確立的。這項工作最初是基于如圖2所示的5個主旨展開的。為規(guī)劃一持續(xù)性的5a研究計劃，在美國國家科學基金會 （the U．S．National Science Foundation），州立高速公路管理局和新澤西交通部 （the New Jersey Department of Transportation）的資助下，召開了一個國際性研討會。這個5a計劃的目標是實現(xiàn)光纖傳感技術在建筑材料和橋梁中的應用［41］。

在易震區(qū)急需改善建筑物結(jié)構(gòu)設計以提高抗破壞性地震的能力和開發(fā)可減輕地震影響的技術。為便于最新信息的流通和傳播包括全面測試和新技術演示，美國國家科學基金會 （the U．S．National Science Foundation）專門成立了結(jié)構(gòu)控制研究小組［42］。

圖2 智能橋梁的五大主題Fig．2 Five themes of smart bridge

過去20a光纖結(jié)構(gòu)傳感領域經(jīng)歷了從相當粗糙的實驗室實驗研究到可與傳統(tǒng)技術相抗衡的商業(yè)化監(jiān)測系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)變。然而使這項技術方興未艾的是新型測量而不是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術的實用化，例如大尺度、串行復用和真正意義上的分布測量系統(tǒng)等。與此監(jiān)測技術發(fā)展相媲美的是挑戰(zhàn)鋼材在建筑工業(yè)領域和鋁制品在航空航天領域應用的先進合成材料的出現(xiàn)，各種各樣新技術的結(jié)合將引領多功能智能材料新時代的前沿。

3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需求

為什么建筑物需要監(jiān)測系統(tǒng)呢？Aktan等給出了兩個原因說明了為何要將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)嵌入橋梁中［43］：①我們需要了解橋梁的實際承載環(huán)境和相應的橋梁響應。目前在我們對橋梁的實際承載尤其是極限承載的理解和橋梁所經(jīng)歷的承載之間存在重大差距，對于橋梁的壽命和老化的理解這一差距變得更為顯著；②結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可決定這種自動采集的信息能否減少目測的需求從而提供一個趨于破損的客觀指標。

為什么要用光纖傳感技術進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測呢？這是很多正面對新技術的工程師們提出的很有道理的問題，這里我們需要做一些論述。光纖傳感器可以進行一些對于傳統(tǒng)測量技術來說不實際或不經(jīng)濟的測量，例如金屬箔式應變計。光纖傳感器在很多方面優(yōu)于基于電的傳感器比如尺寸小，重量輕，對應變和溫度變化敏感，抗腐蝕，抗疲勞，廣帶寬等。光纖具有絕緣性可與FRP復合材料或混凝土兼容；操作安全；不易起火或爆炸，不受電磁波干擾，不影響基體結(jié)構(gòu)中的電路。

無需任何措施防止閃電及各種各樣的電磁波的特性使光纖傳感器成為監(jiān)測大型民用建筑和空間飛行器的首選。對于布線于大型建筑中的電傳感系統(tǒng)，即使沒有直接的閃電，猛烈的暴風雨中的磁場耦合也能產(chǎn)生巨大的電壓。這樣的電壓很有可能會燒毀電子系統(tǒng)中的各種元器件以及導致電路老化。

光纖進行傳感和傳導光信號的雙重角色使得光纖傳感器的結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的傳感器簡單得多，特別是在需要傳感陣列的情況下，由于每個傳感陣列包含了很多傳感器，這種優(yōu)勢尤為明顯。

用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖傳感器主要有以下幾方面的應用：

1）危舊建筑物的檢測和修復監(jiān)測。大型民用設施如橋梁、隧道、公路、鐵路、大壩、海港和機場都融入了巨大的經(jīng)濟投入，近來這些投資已經(jīng)遇到了很多問題，也將經(jīng)受很多根本性的變化。19世紀50～60年代興起的建筑大潮留下了大量的橋梁、公路和其他混凝土建筑，這些建筑都亟需修復或重建。作為實例，圖3給出了臺灣南部的一座大橋于2000年5月倒塌時的景象。在這場事故中16輛汽車和1輛摩托車遇難，22人受傷。如果之前對這座大橋進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測的話，或許能夠避免這場重大事故的發(fā)生。通常通過辨別建筑物的異常振動方式和頻率，或不規(guī)則的應變分布，監(jiān)測其靜態(tài)和動態(tài)響應可以獲知結(jié)構(gòu)健康狀況。

圖3 臺灣大橋倒塌時的圖片F(xiàn)ig．3 Photograph of Taiwan bridge collapses

為修復和加固既存的混凝土結(jié)構(gòu)不得不翻新鋼和混凝土，而采用纖維增強聚合物 （FRP）板材和包裹材料是一種很有前景的選擇。如圖4和圖5所示 “智能”纖維增強聚合物 （FRP）修復和加固部件的發(fā)展也將促使結(jié)構(gòu)加固和光纖監(jiān)測系統(tǒng)的產(chǎn)生。

在地震、爆炸或撞擊后，可應用這些技術對建筑物進行結(jié)構(gòu)整體性評價以及確定所受損害的程度。當超載的卡車駛過橋梁，需要對橋梁的響應進行監(jiān)測時，這種技術也可找到用武之地。由于交通事故或修復橋梁公路不得不繞行時，這樣的事情經(jīng)常發(fā)生。

2）新材料的使用和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設計。出于對新建筑設計上的考慮，目前的經(jīng)濟思潮引發(fā)了從“建設成本”到 “壽命成本的轉(zhuǎn)變”。這種形式的變遷帶動了創(chuàng)新的設計和非傳統(tǒng)材料的使用。例如：纖維增強聚合物 （FRP）材料的應用已走向更富有想象力的結(jié)構(gòu)的最前沿，這些結(jié)構(gòu)具有非常優(yōu)越的性能，如需要很少的維護和低壽命成本等［44］。纖維增強聚合物材料在以下方面優(yōu)于鋼材：①高強度重量比；②高硬度重量比；③較強的抗腐蝕性，如鹽水；④可適應復雜的形狀；⑤碳和芳族聚酰胺FRP具有優(yōu)良的抗疲勞特性；⑥免受電磁波干擾；⑦低熱膨脹軸向系數(shù) （特別是CERP）。

然而纖維增強聚合物材料也有其缺點：①高成本；②低彈性系數(shù)；③低破壞應變和很多破壞模式；④高軸向側(cè)向強度比；⑤長期強度低于短期強度；⑥易受紫外線損傷。

FRP中3種主要的纖維為碳、芳族聚酰胺和玻璃。纖維的支撐基體通常是一些形式的熱硬化環(huán)氧樹脂。

顯然，與傳統(tǒng)材料相比，這些新材料可在更加廣泛的范圍內(nèi)滿足性能要求。然而這些材料也面臨著下降趨勢，例如很難將它們?nèi)谌肽切┰谄茐陌l(fā)生時可提供訴訟保護的設計章程中。隨著經(jīng)驗的積累，為反映這些材料的應用，不久很有可能對設計章程進行修改。將這些具有創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)與內(nèi)嵌式光纖結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器結(jié)合起來，可弄清這些新材料的運行狀況，有助于減少隱患，促進FRP在建筑工業(yè)中的廣泛應用。

顯然很多重要的因素都促使光纖結(jié)構(gòu)健康傳感在今后10a的建筑工業(yè)中成為至關重要的新技術。有跡象表明，F(xiàn)RP材料將取代混凝土內(nèi)嵌入的鋼材，這種材料在修復和加固混凝土建筑中應用也將快速增長［45－46］。

3）健康狀況監(jiān)測和無損傷評價。有時一些事故本身不會導致傷亡但會削弱建筑物的強度，從而引發(fā)更加嚴重的事故。如果在這些建筑物的適當位置嵌入某種形式的健康監(jiān)測系統(tǒng)，就很有可能避免這些嚴重事故的發(fā)生。

令人滿意的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應該能夠區(qū)分識別危急狀況，調(diào)整掃描頻率和動態(tài)范圍，對一些應該保存的數(shù)據(jù)和可忽略的數(shù)據(jù)進行初步評價。同時可將那些被視為相關的信息如響應強度和形變模式轉(zhuǎn)化成視覺圖形，這樣工程師們即可很快做出評定。

持續(xù)不斷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可提高建筑物的安全系數(shù)。通常的條件監(jiān)測都是通過建筑物內(nèi)的傳感器集成器件進行的。最好的例子就是光纖智能螺栓。光纖的外徑小 （通常＜250μm）便于螺栓或其他元器件以一種不影響整體性和器件強度的方式埋入。這意味著埋入的器件可以作為建筑物的一個固定部分進行測試，這是任何傳感應變計不可比擬的。圖6給出的示例為一嵌有光纖傳感器的螺栓。

圖6 嵌有光纖應變計的螺栓Fig．6 Fiber optic strain sensor instrumented bolt

光纖傳感器也可設計成感應熱和力學信息的傳感器。此外，理論上光纖同時作為傳感部件和感應信息傳導通道的獨一無二的特性可使其獲得長度方向上任意一點的應變和溫度信息。此特性使一根光纖可對主要的高危電力傳輸線進行預警［47］，也可探測出由于來自地面某點不可承受的移動而引起的輸油管道上的過應力。一單根貫穿于一座建筑物或建筑物群的光纖束也可以對過熱點的進展進行報警并提供該過熱點的位置信息。這項技術可在足夠早的階段獲知著火點，從而減少物資損害和人員傷亡。

一般而言，很多不同的領域可從以下3個方面受益于集成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測：

1）改善的性能；

2）降低的成本；

3）提高的安全性。

實際上，可以預見4類測量技術將成為新的監(jiān)測技術：①結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損害評價；②實驗應力分析；③周界安全的監(jiān)測與預警；④系統(tǒng)的設備運行狀態(tài)報告和管理控制。

第一類應用包括對各種混凝土結(jié)構(gòu)的傾斜和彎曲進行測量，如橫梁、柱、拱和平板。在現(xiàn)場試驗應力分析中可對一些很難建模的復雜結(jié)構(gòu)進行應力場的測量。通過對實際的應力場及傾斜與計算模型預測的結(jié)果進行比較，可決定更加準確的設計系數(shù)，從而使建筑物更加安全和經(jīng)濟；在第二類應用中，由于很難對復雜結(jié)構(gòu)的應變場建立準確的模型，因此在實驗應力分析領域，可以利用光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g測量復雜結(jié)構(gòu)的應變場，然后通過比較應變場和撓度的實際測量值及模型計算值確定更精確的設計參數(shù)，進而提高結(jié)構(gòu)的安全性并降低建造成本；光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g特別適合的第三類應用領域是目前市場需求日益凸顯的周界安全的監(jiān)護與預警。如：國境邊界線的入侵防護；圍欄的懸掛式防衛(wèi)；高速公路兩側(cè)以及飛機場周界的防護；核電站等重要區(qū)域的周邊防護警戒；第四類應用包括橋梁上的交通流量或機場跑道使用次數(shù)的測量。這種監(jiān)測系統(tǒng)可確定由橋上的大型或高速卡車或機場的著陸引起的頻率和過載段的過載度。這些信息有助于評價由于這些事故引起的沖擊從而確定是否需要對建筑物進行修復和維護。

光纖結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在以下方面很有優(yōu)勢：①評價承載歷史；②估計性能損害影響；③評估修復和維護的有效性；④檢驗相對設計預測的性能；⑤報警異常狀況和行為。

4 光纖白光干涉儀發(fā)展的簡要回顧

白光干涉測量 （有時稱為低相干測量方法）在經(jīng)典光學中已有詳盡闡述［48］。它使用低相干、寬譜光源，例如半導體激光器 （LD）或發(fā)光二極管（LED）作為光源。所以這種傳感方法通常被稱為“白光”干涉測量方法。同所有的干涉原理一樣，光程的改變可以通過觀測干涉條紋來進行分析。

盡管早在1975年就提出了相干原理［50］，并于1976年在光纖通信領域中實現(xiàn)了可能的傳輸方案［51］，但其在光纖傳感技術中的應用卻首次報道于1983年［49］。第一個完整的基于白光干涉技術的位移傳感系統(tǒng)是在1984年報道的［52］。此成果顯示出白光干涉測量技術可以應用于任何可以轉(zhuǎn)換成絕對位移的物理量的測量，并且具有很高的測量精度。1985～1989年，基于白光干涉原理的傳感器被廣泛應用于壓力［53－55］、溫度［56－59］和應變［60－61］測量的研究中。與此同時，根據(jù)白光干涉光學原理，發(fā)展了一種被稱為光學低相干反射測量 （OLCROptical low－coherence reflectometry）的技術，該技術用于測量光學波導裝置尺寸和小型光學元件中的缺陷評估中，其典型的分辨率在數(shù)十個微米［62－64］。OLCR技術的快速、精確及無損傷測量等一系列優(yōu)勢，使得該技術成為一個十分活躍的研究領域。通過一系列研究和技術改進，例如發(fā)展了光強度噪聲衰減技術［65］，掃描范圍擴展延遲技術［66］和測量范圍擴展技術［67］。

利用低相干技術的光纖傳感器，其最基本的結(jié)構(gòu)見圖7。相對于傳感干涉儀，串接的第二個問訊干涉儀對于獲得干涉條紋的信息來說是必需的。這個串接的結(jié)構(gòu)將取決于處理干涉信號的方法，選用分光計還是第二干涉儀的結(jié)構(gòu)，要取決于頻譜分析還是相位分析。

圖7 基于白光干涉式光纖傳感器的基本構(gòu)成Fig．7 Basic optical fiber sensor configuration using white light interferometry

自1990年以來，光纖白光測量技術已持續(xù)發(fā)展，并逐漸形成了一個研究方向，眾多研究者指明了這項技術的優(yōu)點。白光干涉測量技術為絕對測量提供了更多的解決方案，而這些都是采用高性能相干光源的傳統(tǒng)光纖干涉儀所無法解決的。近10余年來，在信號處理、傳感器設計、傳感器研制、傳感器多路復用等方面，白光干涉測量技術得到了較大發(fā)展。在信號處理方面，一些新方案的提出，提高了光纖白光干涉儀的性能。發(fā)展了高速機械掃描法技術，掃描速度從21m／s逐步提高到了176m／s［68－70］。電子掃描技術相對于機械掃描方法的優(yōu)點是更緊湊、精密與快捷，并且避免了使用任何移動裝置［71－75］。光源合成方法是對光纖傳感器信號處理的一大改進，顯著提高了識別并確定干涉?zhèn)鬟f函數(shù)中心條紋位置的能力［76－77］。在此之后，其他研究人員的工作，又進一步發(fā)展了這項技術［78－79］。另一種改進對中心條紋識別精度的方法是使用多階平方（multi－stage－squaring）信號處理方案［80］。

光纖白光干涉儀的另外一個優(yōu)點就是可以很容易地實現(xiàn)多路復用。多個傳感器在各自的相干長度內(nèi)，只存在單一的光干涉信號，因而勿需更復雜的時間或者頻率復用技術對信號進行處理。20世紀最后10a的研究工作，主要集中在發(fā)展多路復用傳感器結(jié)構(gòu)，以增加應用領域?qū)鞲衅鲾?shù)量與容量的需求。這些典型的白光干涉多路復用方案使用了分立的參考干涉儀，并進行時間延時，以匹配遙測傳感干涉儀。傳感干涉儀是完全無源的，而且用于解調(diào)的復用干涉信號對光纖連接導線中的任何相位或長度改變不敏感。在分布式傳感器［81］概念的基礎上，為了構(gòu)成準分布式光纖白光干涉測量系統(tǒng)，研究者進行了許多探索和嘗試。Gusmeroli等人發(fā)展了低相干多路復用準分布單線路偏振傳感系統(tǒng)，用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測［82］；Lecot所報道的實驗系統(tǒng)中包含＞100個多路復用的溫度傳感器，用于核電站交流發(fā)電機定子發(fā)熱量的監(jiān)測［83］；饒云江和Jackson所建立的通用系統(tǒng)是基于空間多路復用，最大可以連接32個傳感器［84］；Sorin和Baney提出了一種新型的基于Michelson干涉儀和自相關器的干涉多路復用傳感陣列方案［85］；由Inaudi等人建立了一種并行多路復用方案［86］；此外，基于簡單的光纖Michelson干涉儀，分別使用光纖開關和1×N星型耦合器的串行和并行多路復用技術分別報道于文獻 ［87－88］。近來，文獻 ［89］又提出了一種光纖環(huán)型諧振腔方案。使用環(huán)型諧振腔的目的是取代文獻 ［87］中價格昂貴的光纖開關，它的優(yōu)點是大大降低了多路復用傳感陣列的復雜性和成本。

隨著光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g的不斷發(fā)展，該技術日趨完善，同時也發(fā)展了越來越多的應用。Inaudi等人發(fā)展了低相干大尺度光纖結(jié)構(gòu)傳感器，在瑞士工業(yè)建筑業(yè)中被廣泛使用［90］，獲得了幾個微應變的分辨率，其測量范圍超過幾千個微應變。通過采用與通道截取光譜法相似的信號處理方法，絕對外部應力傳感系統(tǒng)展示了＜100με的軸向應變分辨率［91］。文獻 ［92－94］報道了基于白光干涉技術的光纖引伸計用于監(jiān)測混凝土試樣內(nèi)部的溫度和測量一維、二維應變?？梢灶A期，這種基于白光干涉技術的絕對應變傳感器將在智能結(jié)構(gòu)和材料中起到越來越重要的作用［95］。

與國外開展的光纖白光干涉技術研究相比，國內(nèi)開始于稍晚的1992年［96］。早期研究集中在光纖白光干涉儀構(gòu)建和白光干涉原理在器件測量的應用方面，如：上海大學的張靖華等人分別開展了利用白光干涉原理實現(xiàn)保偏光纖測量與連接對軸，以及光源功率譜對白光干涉測量的影響的研究［97］；華中科技大學王奇等人［98］于1993年報道了一種用多模光纖連接的雙F－P干涉儀傳感系統(tǒng)，可用于溫度和壓力的測量；清華大學李雪松與中國計量科學院李天初等人［99］于1996年合作報道了一種白光干涉型Michelson光纖掃描干涉儀，可在150μm的測量范圍內(nèi)，實現(xiàn)測量不確定度為1．5μm；浙江大學周柯江等人［100－101］于1997年報道了利用白光干涉技術用于偏振模式分布的測量；上海交通大學張美敦等人報道了光纖干涉儀的臂長差和基于白光光纖干涉儀的折射率測量方法［102］。

近年來，在傳感與測量研究方面，國內(nèi)的研究人員廣泛地關注將白光干涉原理與光纖技術相結(jié)合的研究，發(fā)展了多種新型結(jié)構(gòu)的光纖白光干涉儀、白光干涉信號解調(diào)方法、白光光纖傳感器以及應用，實現(xiàn)各種物理量諸如位移［104］、溫度與應變［105］、壓力［106］、折射率等的測量傳感器及其應用的研究。上述研究主要集中在高等院校中，例如：天津大學的張以謨等人開展了數(shù)字化白光干涉掃描儀［107］及其信號處理［108］和包絡提?。?09］、保偏光纖分布式傳感［110－111］、基于白光干涉原理的光學相干層析技術［112－113］等諸多方面的研究；重慶大學饒云江［114－115］和大連理工大學于清旭［116－117］等 人 分別發(fā)展了基于非本征Fabry－Perot腔的光纖白光傳感器及其智能結(jié)構(gòu)的應用；北京理工大學江毅等人發(fā)展的傅立葉變換波長掃描的白光光纖Fabry－Perot傳感器及其信號解調(diào)方法［118－120］；電子科技大學周曉軍［121－122］等人發(fā)展的基于白光干涉原理和保偏光纖的分布式傳感器。哈爾濱工程大學則專注于光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g的研究，發(fā)展了光纖白光干涉的理論分析方法，構(gòu)造了多種新型結(jié)構(gòu)的白光光纖干涉儀［123］，拓展了準分布線陣、矩陣和環(huán)形網(wǎng)絡光纖傳感器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)［124－125］，并發(fā)展了一系列對于混凝土內(nèi)部進行應力應變測量的方法［126－127］。

5 用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的白光干涉式光纖傳感器的優(yōu)點

光纖智能結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)中集成了光纖傳感器的遙測系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是通過光纖傳感器實現(xiàn) “應變”監(jiān)測的。在需要時，也可以進行 “溫度”的測量。光纖傳感器通常與結(jié)構(gòu)兼容，嵌于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，以便進行監(jiān)測，有時也將傳感器粘附于結(jié)構(gòu)表面。

當長度為L的結(jié)構(gòu)部件受到拉伸或者壓縮應力作用時，它的形狀在載荷的方向上延展或收縮一個長度±ΔL，這里 （＋）表示伸長、（－）表示縮短。我們定義這個構(gòu)件的應變?yōu)椋?/p>

因此，這個部件中的應變狀態(tài)是拉伸還是壓縮，完全取決于局域載荷狀態(tài)。幾乎所有的應變傳感器實際上都是一個標度較短的形變傳感器。對于各向異性的非均勻材料，例如混凝土，纖維增強聚合物 （FRP）等，若基于各向異向性進行測量，微觀應變場將發(fā)生很大變化。對于這些材料，傳感器的標度至少應為材料顆粒的10倍以上。如果需要得到宏觀信息，在混凝土中的標度至少應為100 mm。標度短的應變傳感器適合于用于檢測材料局域應變狀態(tài)，并且應該放置在結(jié)構(gòu)預期的高應變臨界點處。而對于大型結(jié)構(gòu)，例如懸拉橋，需要空間的穩(wěn)定性，形變測量非常重要，并且要求傳感器的標度應該在米的量級或更大。這里，結(jié)構(gòu)失效臨界點與局域狀態(tài)相比要重要的多，所以局域應變測量就顯得不十分重要。例如大地的運動導致的橋梁中部發(fā)生的塌陷，對于立交橋而言，當車輛經(jīng)過時，將降低駕駛員與乘客的舒適程度。這個形變可以通過降低橋梁應變來改進結(jié)構(gòu)安全性［86］。

在上述情況下，由于白光干涉光纖應變感應器具有傳感器長度靈活可變、柔韌性好和結(jié)構(gòu)簡單等特點，對于形變測量特別適合。圖8給出了一種典型的白光光纖應變傳感器，它由一段標準的單模光纖組成。L作為傳感器的標度，應變測量是通過直接測量這段光纖的伸長量ΔL實現(xiàn)的。

白光光纖傳感器的主要優(yōu)點如下：①尺度小；②幾何形狀可變；③安全；④高靈敏度；⑤抗電磁場干擾；⑥與材料和結(jié)構(gòu)兼容；⑦制作安裝方便；⑧結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉；⑨易于多路復用；⑩傳感器長度可變，最短為厘米級，最長可達數(shù)十米。

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