光纖光柵傳感器在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、光纖光柵傳感器在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)一班梁仁豪合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)摘要：光纖傳感器種類(lèi)繁多，能以高分辨率測(cè)量許多物理參數(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)電類(lèi)傳感器相比具有很多 優(yōu)勢(shì)，如：本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕、靈活方便等，因此其應(yīng)用范圍非 常廣泛，并且特別適于惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。本文中所探討的光纖光柵傳感器技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型 傳感器技術(shù)。藝光纖光柵為基礎(chǔ)的位移傳感器應(yīng)用于橋梁的健康狀況的檢測(cè)有很好的應(yīng)用前景，光纖光柵 基友體積小，靈敏度高，絕緣，抗電磁干擾能力強(qiáng)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文中列舉了大量光纖光柵傳感器在國(guó) 外的橋梁中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光纖光柵；傳感器；橋梁；缺陷監(jiān)測(cè)1引言橋

2、梁在任何一個(gè)國(guó)家都是不可缺少的交通要道，橋梁的建造要比普通公路的建造復(fù)雜很多，而且橋梁 在使用中，特別需要保證橋梁的安全性。早在古代，我國(guó)著名匠師李春就建造了至今為止屹立不倒的趙州 橋，然隨著時(shí)代的發(fā)展，拱橋巳經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)代的要求，我們需要更多更大更結(jié)實(shí)的橋梁。重大橋梁工程 結(jié)構(gòu)的使用期長(zhǎng)達(dá)幾十年、甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等 災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)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(zāi)害、甚至正常 環(huán)境作用的能力下降，極端情況下引發(fā)災(zāi)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(duì)重大橋梁工程結(jié)構(gòu)增設(shè)長(zhǎng)期的健

3、康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的服役安全狀況，并為驗(yàn)證結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)、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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其服役期間 的安全狀況、避免重大事故的發(fā)生。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)巳經(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。光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：耐久性好，適于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；無(wú)火花，適于特殊監(jiān)測(cè)領(lǐng)域；既可以 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)測(cè)量，也可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量；測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍只受光源譜寬的限制，不存在多值函數(shù)問(wèn)題；檢出 量是波長(zhǎng)信息，因此不受接頭損失、光沿程損失等因素的影響；對(duì)環(huán)境干擾不敏感，抗電磁干擾；波長(zhǎng)編 碼，可以方便實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量；單根光纖單端檢測(cè)，可盡量減少光纖的根數(shù)和信號(hào)解調(diào)器的個(gè)數(shù)

4、；信號(hào)、數(shù) 據(jù)可多路傳輸，便于與計(jì)算機(jī)連接，單位長(zhǎng)度上信號(hào)衰減小；靈敏度高，精度高；光纖光柵尺寸小，測(cè)量 值空間分辨率高；輸出線性范圍寬，在量程范圍內(nèi)波長(zhǎng)移動(dòng)與應(yīng)變有良好的線性關(guān)系；頻帶寬，信噪比高 等。正是這些突出優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵傳感器受到土木工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注與青睞。2光纖光柵傳感器簡(jiǎn)介2.1光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理光纖光柵是通過(guò)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10-510 -3之間，通過(guò)紫外光曝光的方法將入射光的相干場(chǎng)圖形寫(xiě)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(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或

5、反射鏡。光纖芯中的折射率調(diào)制周期A由下式給出:人=入uv /2 sin( 0 /2 )，式中入uv是紫外光源 波長(zhǎng)，0是2相干光束之間的夾角。光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。光敏性是指激光通過(guò)摻雜 光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實(shí) 質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)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(guò)紫外激光在 光纖纖芯上刻寫(xiě)一段光柵，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過(guò)傳輸光纖射入時(shí)，在光柵處有選擇地反射回一個(gè) 窄帶光，其余寬帶光繼續(xù)透射過(guò)去，在下一個(gè)具有不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵處反射。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境 的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等

6、物理量發(fā)生變化時(shí)，光柵周期或纖芯折射率隨之發(fā)生變化，使反射光波長(zhǎng)發(fā)生變 化，通過(guò)測(cè)量變化前后反射光波長(zhǎng)的變化，就可以獲得待測(cè)物理量的變化情況。2.2光纖光柵傳感器的特點(diǎn)光纖光柵傳感器作為一種新型光纖傳感器，對(duì)大多數(shù)物理量直接感應(yīng)，可同時(shí)感應(yīng)溫度和應(yīng)變，還可 以進(jìn)行多個(gè)物理量的同時(shí)測(cè)量，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。同時(shí)FBG傳感器陣列可以實(shí)現(xiàn)分布式的傳感網(wǎng)絡(luò), 對(duì)物體進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，提取相關(guān)的信號(hào)，進(jìn)行狀態(tài)分析，達(dá)到示警以及故障診斷的目的。其主要技術(shù)應(yīng)用 優(yōu)勢(shì)包括：(1)可靠性好、測(cè)量精度高，單路光纖上可以制作多個(gè)光柵的能力可以對(duì)大型工程進(jìn)行分布式測(cè)量, 其測(cè)量點(diǎn)多，測(cè)量范圍大；(2 )抗電磁干擾能力強(qiáng)；

7、(3 )光纖光柵是無(wú)源傳感器，不受電磁場(chǎng)的影響，也不發(fā)熱，特別適于電磁場(chǎng)強(qiáng)烈的環(huán)境；(4 )光纖光柵的材料是非金屬材料，耐腐蝕能力強(qiáng)；(5)光纖光柵傳感器調(diào)制的是波長(zhǎng)信號(hào)，不存在多值函數(shù)問(wèn)題，與光源、傳輸和連接件的損耗等 強(qiáng)度信息沒(méi)有關(guān)系，因而對(duì)環(huán)境干擾不敏感；(6 )光纖光柵可以單端輸入和單端檢測(cè)，減少了埋入光纖與探測(cè)元件的數(shù)量，特別適于物理量 (如應(yīng)變和溫度場(chǎng)等)的測(cè)量。3應(yīng)用案例1999年夏，在美國(guó)新墨西哥Las Cruces 10號(hào)州際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了 120個(gè)光 纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)在一座橋梁上使用光纖光柵傳感器最多的紀(jì)錄。這座橋梁于1970年建成，巳 經(jīng)出現(xiàn)了

8、許多疲勞裂紋，光纖光柵傳感系統(tǒng)不僅可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛進(jìn)行探測(cè)和計(jì)數(shù)，而且要以測(cè)量車(chē)輛的速 度和重量，有了此系統(tǒng)，就能監(jiān)視動(dòng)態(tài)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、退化和損壞，了解橋梁對(duì)交通響應(yīng)的長(zhǎng)期變 化。1997年，在美國(guó)俄亥俄州的巴特勒縣建造了一座全復(fù)合材料的橋梁，復(fù)合材料在制作過(guò)程中埋入了光 纖光柵應(yīng)變傳感器，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以有規(guī)律地監(jiān)視橋梁的荷載響應(yīng)和跟蹤連接繩索的長(zhǎng)期性能。佛蒙特大 學(xué)的一個(gè)研究小組用光纖光柵傳感器遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)沃特伯里佛蒙特鋼構(gòu)架大橋，測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行挠?jì)算機(jī) 進(jìn)行分析并發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上。俄勒岡哥倫比亞河谷上的Horsetail fall橋是一座古老的橋梁，1914年建成，原為混凝土結(jié)構(gòu)， 當(dāng)初

9、設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮到現(xiàn)今的交通要求，后來(lái)采用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料對(duì)橋梁進(jìn)行了加固，為了監(jiān)視加固 后的結(jié)構(gòu)情況。28個(gè)光纖光柵傳感器安裝在兩根復(fù)合材料加固的混凝土梁上，從1998年開(kāi)始至今，每個(gè) 月用便攜式光譜儀測(cè)量一次數(shù)據(jù)。德國(guó)德累斯頓附近A4高速公路上有一座跨度72米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋，德累斯頓大學(xué)的Meissner等 人將布喇格光柵埋入橋的混凝土棱柱中，測(cè)量荷載下的基本線性響應(yīng)，并且用常規(guī)的應(yīng)變測(cè)量?jī)x器作了對(duì) 比試驗(yàn)，證實(shí)了光纖光柵傳感器的應(yīng)用可行性。比利時(shí)根特的環(huán)城運(yùn)河上建了一座147 m長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力混凝 土橋梁，橋的預(yù)應(yīng)力梁在澆筑時(shí)埋進(jìn)了 18個(gè)光纖光柵傳感器，利用光纖光柵傳感器對(duì)橋梁的建設(shè)過(guò)程

10、進(jìn) 行了監(jiān)視，并將長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)橋梁的結(jié)構(gòu)情況。瑞士應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室，在瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架橋的建造過(guò)程中， 使用了 32個(gè)光纖光柵傳感器對(duì)箱形梁被推拉時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，32個(gè)光纖光柵分布于箱形梁的 不同位置、用掃描法-泊系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。另外瑞士溫特圖爾的Storck橋也是最早使用光纖光柵傳 感器的橋梁之一,橋的碳纖增強(qiáng)聚合物纜中安裝了光纖光柵傳感器對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。加拿大溫尼伯湖 附近的Taylor大橋也用了光纖光柵傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了獲得受損橋梁應(yīng)變分布的更詳細(xì)信息，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室在一座1/4比例橋梁模型中埋入了 60個(gè)光纖光柵的傳感系統(tǒng)，對(duì)模型進(jìn)行了破壞測(cè)試。這套系統(tǒng)的典型響應(yīng)時(shí)間是0.l s，非常適合靜態(tài)應(yīng) 變測(cè)量，但不適于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，因?yàn)槭艿搅擞糜诓ㄩL(zhǎng)漂移測(cè)量的可調(diào)法-泊腔濾波器掃描速度的限制。4結(jié)論橋梁缺陷檢測(cè)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法一般采用在橋梁表面安裝應(yīng)變片的方式;應(yīng)變 片的技術(shù)巳相當(dāng)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(guó) 內(nèi)外大量橋梁監(jiān)測(cè)實(shí)例表明，光纖光柵傳感