李 旭（中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710000）

橋梁安全監(jiān)測(cè)中的光纖光柵傳感技術(shù)淺析

李 旭（中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710000）

針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)難以滿足橋梁安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，通過(guò)將光纖作為信號(hào)感知單元，可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變進(jìn)行感知，并對(duì)損傷狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。光纖傳感技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種信號(hào)測(cè)試手段，與傳統(tǒng)測(cè)試手段相比具有一系列的優(yōu)勢(shì)。本文從目前主要使用的光纖光柵（FBG）傳感橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)入手，從測(cè)試原理、測(cè)試方法和實(shí)現(xiàn)效果等方面進(jìn)行分析，并對(duì)以后的技術(shù)發(fā)展做出了展望。

光纖光柵；橋梁；安全監(jiān)測(cè)

1 引 言

橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)一直是國(guó)內(nèi)外工程領(lǐng)域廣泛關(guān)注的重要研究課題。大型土木工程結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中, 由于過(guò)載、疲勞效應(yīng)以及外來(lái)沖擊等原因, 不可避免會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷,并導(dǎo)致事故的發(fā)生。光纖傳感器因具有體積小、重量輕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究中得到廣泛認(rèn)可。其中, 光纖布拉格光柵(FBG)傳感器更以其波長(zhǎng)編碼、對(duì)橫向和縱向應(yīng)變敏感等獨(dú)特特點(diǎn)受到了高度重視，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的工程單位和科研人員合作將光纖光柵作為信號(hào)感知單元對(duì)橋梁的受力情況進(jìn)行測(cè)量[1-2]。

2 測(cè)試原理與測(cè)試系統(tǒng)

FBG是利用光纖的光敏性在紫外光照射下產(chǎn)生光致折射率變化，通過(guò)光纖的耦合模理論分析可知，光柵的折射率呈周期性分布，當(dāng)包含多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的光經(jīng)過(guò)光柵時(shí)，滿足布拉格條件的光在光柵中反射后沿原路返回，其他波長(zhǎng)則穿過(guò)光柵。布拉格波長(zhǎng)的反射條件為：

應(yīng)變導(dǎo)致FBG的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生偏移，當(dāng)在FBG產(chǎn)生拉伸或擠壓作用時(shí)，彈性形變導(dǎo)致柵區(qū)周期改變；同時(shí)彈光效應(yīng)導(dǎo)致芯內(nèi)有效折射率發(fā)生變化。圖1所示為FBG的物理結(jié)構(gòu)圖。

憑借著FBG對(duì)應(yīng)變的良好感知能力，其被廣泛的應(yīng)用于應(yīng)力測(cè)量、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。FBG傳感器波長(zhǎng)的應(yīng)變情況與其中心波長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)體的材料以及傳感器受到的外力載荷大小有關(guān)。當(dāng)FBG傳感器的結(jié)構(gòu)體確定時(shí)，可以根據(jù)FBG波長(zhǎng)的應(yīng)變情況推算傳感器的受力情況，通過(guò)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下的多支傳感器的受力情況即可對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。典型的FBG傳感測(cè)量系統(tǒng)主要包括三部分：傳感單元，光源、耦合器和環(huán)形器等組成的光路部分，光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)組成的信號(hào)處理單元。

圖1 FBG物理結(jié)構(gòu)圖

3 典型應(yīng)用

經(jīng)過(guò)三十余年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已有較多基于FBG的橋梁健康監(jiān)測(cè)案例，但由于橋梁結(jié)構(gòu)及其所處環(huán)境的復(fù)雜性，加上橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是一個(gè)涉及到多學(xué)科、跨行業(yè)的難點(diǎn)課題，總體而言，國(guó)內(nèi)外的研究目前還處于探索和試用階段。

3.1 國(guó)外應(yīng)用情況

布朗大學(xué)的門(mén)德斯等人在1989年首先提出了在混凝土結(jié)構(gòu)中使用光纖傳感器進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。在此之后，歐美國(guó)家的科研人員對(duì)基于光纖傳感技術(shù)的工程質(zhì)量和健康監(jiān)測(cè)做了大量的研究[3]。同年，Woff等人在德國(guó)萊沃庫(kù)森的希斯貝格街道橋上，將光纖傳感器埋入收縮量很小的合成樹(shù)脂砂架中，制成預(yù)應(yīng)力筋用于檢測(cè)橋面的內(nèi)部損傷情況。1999年，在美國(guó)新墨西哥州際高速公路的鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了創(chuàng)當(dāng)時(shí)記錄的64個(gè)FBG傳感器。新世紀(jì)以來(lái)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家加快了FBG在橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了大量研究成果，表1列舉了國(guó)外部分基于FBG感知的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

表1 國(guó)外實(shí)施健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁

3.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

我國(guó)橋梁監(jiān)測(cè)工作相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，近年來(lái)隨著整體科技實(shí)力和橋梁建設(shè)的發(fā)展，其作用和意義才逐漸被設(shè)計(jì)者、施工單位和管理部門(mén)所認(rèn)同[4]。歐進(jìn)萍等人在2001年的呼蘭河大橋施工過(guò)程中將光纖光柵埋入混凝土箱梁中，對(duì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了研究和探索。東南大學(xué)的張彪等人在河南洛陽(yáng)的瀛洲大橋上進(jìn)行了基于FBG傳感的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，主要對(duì)主副拱和橋墩結(jié)合部的受力情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。武漢理工大學(xué)光纖傳感實(shí)驗(yàn)室在武漢長(zhǎng)江二橋建立了一套橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠同時(shí)測(cè)量關(guān)鍵截面應(yīng)變和溫度、交通荷載、關(guān)鍵部位線形等。表2為國(guó)內(nèi)部分基于FBG感知的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

表2 國(guó)內(nèi)實(shí)施健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁

4 測(cè)試中的問(wèn)題與下一步研究方向

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)涉及多門(mén)學(xué)科技術(shù)知識(shí)，包含內(nèi)容廣泛，同時(shí)光纖傳感技術(shù)相對(duì)電類信號(hào)測(cè)量來(lái)說(shuō)還是一門(mén)新興學(xué)科，因此，從軟硬件技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法等方面還有待進(jìn)一步的研究和完善。

4.1 傳感探頭結(jié)構(gòu)研究

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)對(duì)傳感器的壽命要求長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，同時(shí)要求在如此長(zhǎng)的工作時(shí)間內(nèi)保持較高的測(cè)量精度和分辨力，基于此，需要對(duì)傳感探頭的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，確保傳感器的高可靠性、良好的防塵性能以及相應(yīng)的防振性能。考慮到進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)化和工業(yè)化，需要對(duì)傳感器的生產(chǎn)技術(shù)、安裝工藝進(jìn)行規(guī)范化升級(jí)，以滿足工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)要求。

4.2 光纖傳感網(wǎng)傳輸技術(shù)研究

大型橋梁結(jié)構(gòu)中需要大量各異的傳感單元，因此在光纖感知橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有信號(hào)量規(guī)模大、不同信號(hào)和物理量并行處理的特點(diǎn)，對(duì)信號(hào)傳輸技術(shù)提出了更高的基礎(chǔ)，需要對(duì)基于波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用的組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，提升數(shù)據(jù)融合和重構(gòu)技術(shù)等。

4.3 海量數(shù)據(jù)處理分析方法研究

大量數(shù)據(jù)對(duì)硬件的處理效率是一大考驗(yàn)，同時(shí)海量的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)更好的誤差率，有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)結(jié)果，因此需要對(duì)監(jiān)測(cè)和預(yù)警算法、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究，運(yùn)用合理算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、相應(yīng)濾波算法，避免信號(hào)數(shù)據(jù)污染，降低誤判率，實(shí)現(xiàn)全套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全可持續(xù)運(yùn)行。

[1]Hill KO,Malo B, Bilodeau F, et al.Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask[J].Applied Physics Letters.1993, 63(10):1035-1037.

[2]張東生,李微,郭丹,等.基于光纖光柵振動(dòng)傳感器的橋梁索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2007,20(12):2720-2723.

[3]Casas J R, Cruz P J S.Fiber Optic Sensors for Bridge Monitoring[J].Journal of Bridge Engineering, 2003, 8(6):362-373.

[4]萬(wàn)里冰,武湛君, 張博明,等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測(cè)[J].光電子·激光, 2004,15(12):1472-1476.

Analysis of fiber bragg grating sensing technology in bridge safety monitoring

To solve the problem of traditional technology for long-term bridge health monitoring, quasidistributed measurement of optical fiber which based on fiber Bragg grating (FBG) is a good solution.In such a system, the dynamic and static monitoring and damage identification of bridges can be realized in a real time through a FBG sensing network connected in series with only one or a set of fibers.The feasibility of the scheme is verified through theoretical and experimental results, which is conducive to the actual engineering.

TU347

B

1003-8965(2017)04-0003-02

Keyworods：FBG；bridge；safety monitoring