光纖光柵傳感器及其在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用

1、光纖光柵傳感器及其在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用姓名：朱少波 學號：U201115536 班級：電氣中英1101班2015年1月23日星期五摘要：作為20世紀測試領域的重大發(fā)明，光纖光柵傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展，并已經(jīng)成為諸多領域的前沿研究與應用方向。本文主要介紹了相關(guān)產(chǎn)業(yè)化企業(yè)近年來基于光纖光柵感知元件發(fā)展起來的系列傳感器、部品、重大土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應用以及項目研究與產(chǎn)業(yè)化狀況。主要包括：光纖光柵系列直接傳感器、光纖光柵間接傳感器、光纖光柵傳感部品（結(jié)構(gòu)）與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡與集成系統(tǒng)及其在大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用。最后，介紹了課題組與相關(guān)企業(yè)在該方向的項目研究、國際合作與產(chǎn)

2、業(yè)化情況，并指出該方向的主要研究與應用方向。關(guān)鍵詞：光纖光柵傳感器，橋梁結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測1. 引言 重大橋梁工程結(jié)構(gòu)的使用期長達幾十年、甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應與突變效應等災害因素的耦合作用將不可避免地導致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災害、甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下引發(fā)災難性的突發(fā)事故。因此，為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，對重大橋梁工程結(jié)構(gòu)增設長期的健康監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的服役安全狀況，并為驗證結(jié)構(gòu)設計、施工控制以及研究結(jié)構(gòu)服役期間的損傷演化規(guī)律提供有效的、直接的手段，并實時監(jiān)測其服役期間的安全狀況、避免重大事故的發(fā)生

3、。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)重大橋梁結(jié)構(gòu)工程的前沿研究方向。然而，重大橋梁工程結(jié)構(gòu)和基礎設施體積大、跨度長、分布面積大，使用期限長，傳統(tǒng)的電學量傳感設備組成的長期監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定性、耐久性和分布范圍都不能很好地滿足實際工程需要。隨著智能感知材料的發(fā)展, 高性能傳感器及其測試技術(shù)為結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供了嶄新的途徑，尤其是以光纖光柵為代表的光纖傳感元件的出現(xiàn)與發(fā)展，更為這一熱點課題提供了廣闊的生機。光纖通信技術(shù)和光纖傳感技術(shù)在 20 世紀后半葉至 21 世紀初期的幾十年里日新月異，極大地推動了人類社會的進步。光纖傳感技術(shù)隨著光通信技術(shù)的發(fā)展應運而生，尤其是光纖光柵的出現(xiàn)不僅給光

4、纖傳感技術(shù)，而且給相關(guān)領域帶來了一次里程碑式的革命1，使人們可以設計和制作大量基于光纖光柵的新型智能傳感器2。與傳統(tǒng)的各類傳感器相比光纖光柵傳感器具有以下優(yōu)點3：1) 抗電磁干擾，電絕緣，本質(zhì)安全 由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖是電絕緣的傳輸媒質(zhì)，因而不怕強電磁干擾，也不影響外界的電磁場，并且安全可靠。這一特性使其在高壓、強電磁干擾、易燃、易爆的環(huán)境中能有效的傳感。 2) 耐腐蝕 由于光纖表面的涂覆層是由高分子材料組成，承受環(huán)境或者結(jié)構(gòu)中酸堿等化學成分腐蝕的能力強，適合于結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測。 3) 測量精度高 光纖傳感器采用波長調(diào)制技術(shù)，分辨率可達到波長尺度的皮米量級，對應溫度監(jiān)測中

5、 0.1與應變監(jiān)測中 1 。光測量及波長調(diào)制技術(shù)使光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。 4) 測量對象廣泛 以采用很相近的技術(shù)基礎構(gòu)成測量不同物理量的傳感器，這些物理量包括壓力、溫度、加速度、位移等。 5) 準分布式測量 可以將多個布拉格光柵焊接在一起，或是在一根光纖上寫入多個光柵，再將它們構(gòu)成傳感網(wǎng)絡或者陣列。 6) 便于復用及成網(wǎng) 夠用一根光纖測量結(jié)構(gòu)上空間多點或者無限多自由度的參數(shù)分布，是傳統(tǒng)的機械類、電子類、微電子類等分立型器件無法實現(xiàn)的功能，是傳感技術(shù)的新發(fā)展。光纖傳感器可很方便的與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，有利于與現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡。 縱觀目前應用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

6、中的各種傳感器，除光纖傳感器外，其它傳感器多數(shù)為電測量傳感器，由于電磁干擾問題、壽命問題、分布性能問題以及被測參量單一問題等均不能滿足重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需要。而光纖傳感器中雖仍有光強型傳感器、干涉型傳感器的存在，但這些傳感器作為智能材料與結(jié)構(gòu)的“神經(jīng)元”，特別是重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的傳感器，具有一定局限性。光纖光柵傳感器克服了傳統(tǒng)光纖和電測量傳感技術(shù)的一些缺點，滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術(shù)要求，在智能材料與結(jié)構(gòu)中具有廣闊的發(fā)展前途。綜上所述，光纖光柵傳感器具有材料和傳感性能兩方面的優(yōu)勢，作為長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中局部監(jiān)測的首選敏感元件，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛應用于重

7、大工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中.2. 光纖光柵傳感器的發(fā)展光纖光柵是一種新型的光子器件，它可以控制光在光纖中的傳播行為。光纖光柵的研究與發(fā)展歸功于1978年加拿大的Hill（1978）等人在實驗室中制作的世界上第一根光纖光柵，以及1989年美國的Meltz等人發(fā)明的紫外側(cè)寫入技術(shù)。隨后，1993年Hill與Lemaire分別提出相位掩模成柵技術(shù)和低溫高壓載氫技術(shù)。這兩項技術(shù)相結(jié)合極大地降低了光纖光柵的制作成本與容易程度，從而在世界各地掀起了基于光纖光柵應用研究的熱潮。自從1989年美國的Morey等人首次進行光纖光柵的應變與溫度傳感研究以來（Morey，1989），世界各國都對其十分關(guān)注并開展了廣泛的

8、應用研究，在短短的10多年時間里光纖光柵已成為傳感領域發(fā)展最快的技術(shù)，并在很多領域取得了成功的應用，如土木工程、油田、航空航天、復合材料、高壓輸電線、醫(yī)學、核電站、消防等領域(Rao, 1999; Tennyson et al, 2000; Ou & Zhou, 2002, 2003,2004,2005)。目前，國內(nèi)的清華大學、重慶大學、南開大學、武漢理工大學、北京交通大學、香港理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等單位對光纖光柵傳感器的應用研究非常重視，投入了大量的人力和物力，得到了系列研究成果，并已經(jīng)在一些重點示范工程上得到了應用。 迄今為止，光纖光柵無論在技術(shù)成熟度，還是成本上都已經(jīng)取得了實質(zhì)的突破

9、，將其應用到量大面廣的土木工程已經(jīng)成為現(xiàn)實。很多光電領域的專家學者對光纖光柵的傳感特性以及諸多領域的應用作了很多嘗試，取得了較好的成果。但是，目前普遍存在一個問題：光纖光柵傳感器的開發(fā)者因為缺少應用領越的專門知識，研究開發(fā)的“專業(yè)”傳感器無法勝任實際的工程需要，而應用領域的工程師們?nèi)鄙俟饫w光柵傳感的專門知識，即使清楚自己的測試需要，仍難以協(xié)調(diào)與指導傳感器的研究開發(fā)，從而導致了供給與需求的嚴重脫節(jié)。哈爾濱工業(yè)大學及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)化企業(yè)針對重大土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對耐久性傳感器的迫切需求，發(fā)揮多學科交叉的優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)膠粘劑封裝光纖光柵應變傳感器和布設工藝耐久性的不足，通過對光纖光柵應變傳感器的應變傳

10、感物理機理、應變傳感的界面?zhèn)鬟f機理、封裝光纖光柵傳感器的蠕變特性等方面進行了較系統(tǒng)研究，提出了基于誤差的應變傳感器設計的優(yōu)化方法，并開發(fā)出系列高性能的光纖光柵直接傳感器、光纖光柵間接傳感器、光纖光柵傳感部品以及相應的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡與集成系統(tǒng)，并應用于諸多重大橋梁工程。3. 光纖光柵傳感器簡介 3.1 光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 光纖光柵是通過改變光纖芯區(qū)折射率，產(chǎn)生小 的周期性調(diào)制而形成的，其折射率變化通常在 之間，通過紫外光曝光的方法將入射光的相干 場圖形寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的

11、濾波器或反射鏡。光纖芯中的折射率調(diào)制周期由下式給出：（），式中是紫外光源波長，是相干光束之間的夾角4。 光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的5。光敏性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。利用光纖材料的光敏性，通過紫外激光在光纖纖芯上刻寫一段光柵，當光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過傳輸光纖射入時，在光柵處有選擇地反射回一個窄帶光，其余寬帶光繼續(xù)透射過去，在下一個具有不同中心波長的光纖光柵處反射。當光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應力、應變等物理量發(fā)生變化時，光柵周期或纖芯折射率隨之發(fā)生

12、變化，使反射光波長發(fā)生變化，通過測量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。 3.2光纖光柵傳感器的應用特點 光纖光柵傳感器作為一種新型光纖傳感器，對 大多數(shù)物理量直接感應，可同時感應溫度和應變，還可以進行多個物理量的同時測量，其應用領域非常廣泛。同時傳感器陣列可以實現(xiàn)分布式的傳感網(wǎng)絡，對物體進行多點測量，提取相關(guān)的信號，進行狀態(tài)分析，達到示警以及故障診斷的目的。其主要技術(shù)應用優(yōu)勢包括： （）可靠性好、 測量精度高，單路光纖上可以制作多個光柵的能力可以對大型工程進行分布式測量，其測量點多，測量范圍大； （）抗電磁干擾能力強； （）光纖光柵是無源傳感器，不受電磁場的影響，也不發(fā)

13、熱，特別適于電磁場強烈的環(huán)境； （）光纖光柵的材料是非金屬材料，耐腐蝕能力強； （）光纖光柵傳感器調(diào)制的是波長信號，不存在多值函數(shù)問題，與光源、傳輸和連接件的損耗等強度信息沒有關(guān)系，因而對環(huán)境干擾不敏感6； （）光纖光柵可以單端輸入和單端檢測，減少了埋入光纖與探測元件的數(shù)量，特別適于物理量（如應變和溫度場等）的測量。 盡管光纖光柵傳感器具有上述許多優(yōu)點，但是在實際應用中還是存在一些問題。目前，限制光纖光柵傳感器應用的最主要障礙是傳感信號的解調(diào)即光纖光柵傳感器分析儀，正在研究的解調(diào)方法很多，但能夠?qū)嶋H應用的解調(diào)產(chǎn)品并不多，而且價格較高，如果用于多點監(jiān)測的分布式傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中成本將更高。光纖光柵

14、傳感器應用中的問題如下： （）由于光源帶寬有限，而應用中一般要求光柵的反射譜不能重疊，因此，可復用光柵的數(shù)目受到限制； （）如何實現(xiàn)在復合材料中同時測量多軸向的應變，以再現(xiàn)被測體的多軸向應變形貌； （）如何實現(xiàn)大范圍、 高精度、快速實時測量；（）當溫度和應變同時發(fā)生變化時，傳感器本身無法分辨出兩者分別引起的反射中心波長的變化；如何正確地分辨光柵波長變化是由溫度變化引起的還是由應力產(chǎn)生的應變引起的，也即是如何消除或區(qū)分應變及溫度交叉敏感問題； （）光纖光柵傳感器制作材料比較脆弱，所以它在使用過程中容易損壞；需要對其進行封裝處理，研究開發(fā)出耐久性好的材料對其進行封裝很有必要，以延長傳感器的使用壽命

15、； （）目前，普通的光纖光柵傳感器的檢測精度較傳統(tǒng)的應變電類檢測傳感器相對要低些，研制開發(fā)出檢測精度更高的適合橋梁的專用光纖光柵傳感器勢在必行，也是其廣泛應用于未來橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的前提。 有效地解決上述問題對于實現(xiàn)廉價、穩(wěn)定、高分辨率、大測量范圍、多光柵復用的傳感系統(tǒng)具有重要意義。 3.3光纖光柵傳感器在國內(nèi)外實際工程中的應用隨著高智能傳感材料和傳感器解調(diào)技術(shù)的發(fā) 展，光纖光柵傳感器系統(tǒng)的成本將降低，而光纖光柵傳感器由于其具有很多的技術(shù)優(yōu)勢，因而是土木工程領域研究的熱點。目前在國內(nèi)外都有光纖光柵傳感器應用工程的成功案例，并且證實監(jiān)測結(jié)果比較理想。目前，應用光纖光柵傳感器最多的領域當數(shù)橋梁

16、的安全監(jiān)測。(1)國內(nèi)應用案例 南京長江第三大橋施工監(jiān)測 南京三橋深水基礎施工監(jiān)測項目中共布設了 個光纖光柵應變和溫度傳感器，是目前國際上 施工控制中布設光纖光柵應變和溫度傳感器最多的橋梁。該監(jiān)測項目將光纖光柵溫度傳感器應用于南京三橋承臺大體積混凝土溫度場監(jiān)測中取得了良好的控制效果，帶來了顯著的社會和經(jīng)濟效益，具有重要的推廣應用價值。 （）哈爾濱四方臺松花江大橋 該監(jiān)測項目在橋上共布設了只光纖光柵傳感器。歷經(jīng)近年的考驗，光纖光柵應變和溫度傳感器的成活率達到以上。在大橋成橋試驗和運營階段，該監(jiān)測系統(tǒng)較好地監(jiān)測了結(jié)構(gòu)的局部應變，為成橋質(zhì)量評價和運營階段的安全評價提供了可靠的數(shù)據(jù)。(2)國外應用案例

17、加拿大卡爾加里附近的 Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一(1993 年), 共安裝了 16 個光纖光柵傳感器對橋梁結(jié)構(gòu)進行長期監(jiān)測。德累斯頓大學的 Meissner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土棱柱中, 測量荷載下的線性響應,并用常規(guī)的應變測量儀器作了對比試驗, 證實了光纖光柵傳感器的應用可行性4. 應用光纖光柵傳感器的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)4.1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念及其組成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的定義7：利用現(xiàn)場的無損傳感與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析（包括結(jié)構(gòu)反應），探測結(jié)構(gòu)的性態(tài)變化，揭示結(jié)構(gòu)損傷與結(jié)構(gòu)性能劣化。其實，結(jié)構(gòu)監(jiān)測并不是一個新的概念，對結(jié)構(gòu)的應變、

18、加速度、速度、位移等參數(shù)的測量一直是結(jié)構(gòu)工程的基本方法。由于土木工程結(jié)構(gòu)的特殊性，如結(jié)構(gòu)型式多樣、服役周期長、影響結(jié)構(gòu)性能的因素復雜多變等，對其進行健康監(jiān)測也要復雜得多。理想的健康監(jiān)測系統(tǒng)應能在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的較早時期發(fā)現(xiàn)損傷，在傳感器允許的情況下，結(jié)合損傷識別技術(shù)確定損傷的位置，評估損傷程度，預測剩余的有效壽命。要實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，必須要有完整的橋梁狀態(tài)信息、科學的安全分析評估手段，這就要求橋梁具有感覺神經(jīng)與思維判斷能力，前者就是能獲取橋梁狀態(tài)的信息采集硬件系統(tǒng)，后者則是數(shù)據(jù)分析評估的軟件系統(tǒng)，圖 1是一個典型的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)8。圖 1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(1) 智能傳感元件 需

19、要對橋梁進行監(jiān)測的主要為風、浪、冰、車輛荷載等的環(huán)境量；應力、變形、裂紋、疲勞損傷、反力等的局部量；動力特性和狀態(tài)反應等的整體量。根據(jù)監(jiān)測量的需要，開發(fā)滿足穩(wěn)定性與耐久性、可埋設或附著、大規(guī)模分布式的傳感元件是這一部分的核心內(nèi)容。 (2) 數(shù)據(jù)采集與智能處理 數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容是各種智能傳感元件的信號轉(zhuǎn)換接口和采集軟件的開發(fā)。信號處理的核心內(nèi)容是提取結(jié)構(gòu)損傷特征信息，充分利用現(xiàn)代信號處理方法，如高階譜分析、時頻分析、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡等方法，對傳感器傳輸來的信息進行智能處理，通過數(shù)據(jù)融合理論表征結(jié)構(gòu)特征損傷信息，便于對橋梁結(jié)構(gòu)進行安全與損傷評估。 (3) 健康診斷與安全評估 健康診斷與安全評估

20、主要包括損傷識別、定位與模型修正和安全評估系統(tǒng)與預警系統(tǒng)。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺,應用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡技術(shù), 優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)測、設備監(jiān)測、綜合報警、信息網(wǎng)絡分析處理和橋梁養(yǎng)護管理各功能子系統(tǒng)為一體的綜合監(jiān)測系統(tǒng), 它實時監(jiān)測橋梁在各種環(huán)境、荷載等因素作用下的結(jié)構(gòu)響應, 并能有效地提供橋梁養(yǎng)護管理的科學依據(jù), 顯著提高橋梁的整體管理水平,從而能夠最大限度地確保橋梁安全運營、預診斷橋梁病害和延長橋梁使用壽命。梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器網(wǎng)絡與集成系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與存儲子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安全評定子系統(tǒng)、有線/無線遠距離傳輸子系統(tǒng)和遠程監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)組成

21、。5. 結(jié)論 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中, 傳統(tǒng)的監(jiān)測方法一般采用在橋梁表面安裝應變片的方式;應變片的技術(shù)已相當成熟, 但暴露出很多不足的地方, 例如: 布線繁雜, 不易組網(wǎng), 易受電磁干擾等; 目前國內(nèi)外大量橋梁監(jiān)測實例表明, 光纖光柵傳感器由于測試精度高, 耐久性和重復性好, 抗電磁干擾能力強, 耐腐蝕性能高, 已經(jīng)成為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要測試手段。它把原本沒有生命的橋梁被賦予自感知與自診斷能力,對于橋梁的施工和監(jiān)測具有重大意義。隨著智能傳感技術(shù)的不斷成熟, 光纖光柵傳感器解調(diào)技術(shù)的進步, 橋梁缺陷檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的成本將大大降低, 其應用前景也將更加廣闊。6. 文獻：1Federal Highway Administration U.S Department of TransportationGuide for The Structure I