劉成祥

(身份證號(hào)：230102198707184614)

土木工程結(jié)構(gòu)中光纖傳感器的應(yīng)用探討

劉成祥

(身份證號(hào)：230102198707184614)

將光纖傳感元件及形狀記憶合金等驅(qū)動(dòng)元件埋入傳統(tǒng)土木工程結(jié)構(gòu)中，用以測(cè)量結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、損傷、變形及施工質(zhì)量，并結(jié)合信息處理系統(tǒng)，使土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能功能，可對(duì)結(jié)構(gòu)信息自動(dòng)采集及分析處理，進(jìn)而使土木工程結(jié)構(gòu)具有自檢測(cè)、自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)等功能。本文較深入地探討了目前光纖傳感器類(lèi)型及特點(diǎn)，通過(guò)回顧國(guó)內(nèi)外土木結(jié)構(gòu)中光纖傳感系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用，對(duì)光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

土木工程；光纖傳感器；應(yīng)用探討

1. 前言

在國(guó)際上智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)逐漸成為近年來(lái)的一個(gè)新興前沿多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，主要是在基體材料融合仿生命功能材料，使其結(jié)構(gòu)具有智能功能。智能結(jié)構(gòu)將傳感與控制系統(tǒng)相集成，可實(shí)現(xiàn)自我感知、診斷及調(diào)節(jié)，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)能夠恰當(dāng)反應(yīng)變化的內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境激勵(lì)。傳感系統(tǒng)在智能結(jié)構(gòu)中與人體神經(jīng)元相當(dāng)，執(zhí)行系統(tǒng)與肌肉相當(dāng)，控制系統(tǒng)與大腦相當(dāng)，這與傳統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)的生命特征相符。目前，智能結(jié)構(gòu)研發(fā)應(yīng)用備受世界關(guān)注，并在八九十年代相繼開(kāi)展了很多的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用。

2. 土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

土木工程結(jié)構(gòu)及重大基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)通常都需要較長(zhǎng)的基準(zhǔn)期，使用較為惡劣的環(huán)境，因此在應(yīng)用過(guò)程中，受疲勞效應(yīng)、環(huán)境荷載及老化的腐蝕材料等因素的不利影響，結(jié)構(gòu)將難免受到積累損傷與衰減抗力，嚴(yán)重的還將引發(fā)災(zāi)難性突發(fā)事故。為此，需要土木工程結(jié)構(gòu)具有示警或?qū)κ逻M(jìn)行感知的智能功能，進(jìn)而在失事前利用感知系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)變化進(jìn)行感知，以便及時(shí)作出預(yù)警或自動(dòng)加固結(jié)構(gòu)及修復(fù)，以及時(shí)修復(fù)結(jié)構(gòu)中潛在問(wèn)題。如同人骨折后，將骨縫對(duì)好，斷骨結(jié)合將自愈合的功能。

土木工程結(jié)構(gòu)和重大基礎(chǔ)設(shè)施通?？缍乳L(zhǎng)、體積大、分布面廣且使用較長(zhǎng)時(shí)間，傳統(tǒng)傳感器件構(gòu)成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在性能耐久穩(wěn)定、分布范圍等方面還有待于不斷完善以適應(yīng)工程所需。所以，針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研制的智能型傳感系統(tǒng)應(yīng)具有感知材料高性能、靈敏穩(wěn)定等特點(diǎn)，以達(dá)到診斷評(píng)定大型土木工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際需求。

3. 光纖傳感器

常用傳感材料在智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中主要采用光導(dǎo)纖維及形狀記憶合金等材料，因光導(dǎo)纖維材料柔韌、具有較低價(jià)格、較細(xì)直徑、較小體積和能耗、較高靈敏度、較輕質(zhì)量、較強(qiáng)抗電磁干擾能力、耐高溫、抗腐蝕、檢測(cè)方便、信息傳輸和傳感集于一體等優(yōu)點(diǎn)，智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中被認(rèn)為是一種首選傳感材料，并在土木工程結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。在土木工程結(jié)構(gòu)中將光纖傳感器埋入，利用對(duì)光強(qiáng)、相位等傳輸特性的分析，可獲得光纖周?chē)牧系挠嘘P(guān)參數(shù)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控土木工程結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，為人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

光纖在傳感器中一般都是由纖芯、包層、樹(shù)脂涂層和塑料護(hù)套構(gòu)成。纖芯及包層的折射率不同，樹(shù)脂涂層具有保護(hù)作用，尤其是混凝土中埋入光纖時(shí)，可避免光纖收到環(huán)境侵蝕。而應(yīng)變傳感器因樹(shù)脂一般都具有較低的彈性模量，影響混凝土應(yīng)變傳向光纖，所以應(yīng)采用較薄的涂層，或具有較大彈性模量的樹(shù)脂。光纖塑料護(hù)套保護(hù)光纖使其在混凝土中便于埋入，并實(shí)現(xiàn)傳感的分布式和復(fù)用傳感器。

光纖傳感器一般可分為本征和非本征傳感器兩種。在本征傳感器中，光纖受外界待測(cè)量作用而引起參量變化，進(jìn)而調(diào)制光纖中傳播的光波參量，再將調(diào)制信號(hào)利用光探測(cè)器和檢測(cè)電路向電信號(hào)轉(zhuǎn)換。光纖作為敏感元件具有傳感光的作用，也被稱為功能性光纖。在非本征傳感器中，只利用光纖傳光功能，將其它類(lèi)型敏感元件和裝置外配，因此屬非功能性光纖傳感器。在檢測(cè)診斷土木工程結(jié)構(gòu)中，這兩種光纖傳感器的應(yīng)用前景都比較廣。

4. 國(guó)內(nèi)外光纖傳感器的研究及應(yīng)用

美國(guó)布朗大學(xué)的門(mén)德斯等人于1989年首先提出在混凝土結(jié)構(gòu)中采用光纖傳感器進(jìn)行健康檢測(cè)。隨后，加拿大、英德等國(guó)研究人員也相繼在土木工程中開(kāi)展了光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用研究工作，比較突出的就是美國(guó)韋爾蒙特大學(xué)的研究成果。我國(guó)也有很多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了有關(guān)研究工作，以重慶大學(xué)等單位的研究成果為主要代表。尤其是提高近年來(lái)的研究，在橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、水壩等大型土木工程結(jié)構(gòu)中埋入光纖傳感器的報(bào)道不斷涌現(xiàn)，主要用于對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及損傷等情況的檢測(cè)，并獲得良好結(jié)果。諸如因橋梁結(jié)構(gòu)一般具有較大跨度，因此橋梁結(jié)構(gòu)安全備受關(guān)注。所以在此也相繼投入較多的研究力量，取得較為突出的研究成果。主要思路是將光纖傳感器埋入或粘貼在橋梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)光纖傳感系統(tǒng)對(duì)橋梁荷載及其在荷載作用下效應(yīng)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性的科學(xué)客觀評(píng)價(jià)。

1989 年，在美國(guó)州際公路橋上將光纖振動(dòng)傳感器粘貼路橋結(jié)構(gòu)上用于對(duì)橋共振頻率的檢測(cè)；1992年，德國(guó)一城市將光纖傳感器埋入橋梁上下表面用于對(duì)橋梁應(yīng)變、裂縫及腐蝕情況的檢測(cè)，從而對(duì)橋梁安全狀況進(jìn)行評(píng)估；1994年，德國(guó)在柏林市區(qū)將光纖干涉應(yīng)變傳感器粘貼在一橋梁的鋼筋上，用來(lái)對(duì)鋼筋在車(chē)輛通過(guò)時(shí)發(fā)生變形和振動(dòng)情況的測(cè)量；之后，又建成第一座采用預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料和鋼筋結(jié)構(gòu)的橋梁，將光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器加入碳纖維中，用于對(duì)損失碳纖維預(yù)應(yīng)力的檢測(cè)。美國(guó)曾將約6.5公里長(zhǎng)的光纖埋入水電大壩中，用于對(duì)水壩振動(dòng)、壩面水壓力和流速的檢測(cè)。充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源共享功能，任一國(guó)家都充分利用大壩光纖傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件，對(duì)水壩安全狀態(tài)等開(kāi)展深入探討，這都可能是未來(lái)土木工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息處理的發(fā)展趨勢(shì)。

5. 土木工程結(jié)構(gòu)中光纖傳感技術(shù)的發(fā)展前景

在傳統(tǒng)土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行健康檢測(cè)診斷還處于一個(gè)新型研究領(lǐng)域，它將主要采用人工目視檢查的手段徹底改變，使檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但因受過(guò)去相關(guān)研究工作基礎(chǔ)所限，而且在土木工程結(jié)構(gòu)中難以研究其傳感原理，傳感及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題也在一定程度上影響該領(lǐng)域的研究工作。但隨著基礎(chǔ)研究的深入開(kāi)展，選擇適宜的檢測(cè)參數(shù)，在土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用光纖傳感材料與系統(tǒng)具有比較廣闊的前景，這對(duì)傳統(tǒng)土木工程學(xué)科帶來(lái)難得的機(jī)遇，也必將產(chǎn)生客觀的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

[1]黃尚廉.智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)——工程構(gòu)造安全監(jiān)控的一條嶄新思路[J]，世界科技研究與發(fā)展，2010.8

[2]WOLFF R，PHILIPP M，URS S. Application and reliability of a fiber optical surverllance system for a stay cabie bridge[J]，Smart Materials & Structures，2011.6

[3]HABEL B，HUFM AN B. Monitoring of prestressed concrete structure with optical fiber sensors[J]，SPIE，2010.11

K928

B

1007-6344（2015）09-0188-01

劉成祥（1987—），男，漢族，大學(xué)本科學(xué)歷，研究方向：土木工程。