李 旭（中鐵二十局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710000）

橋梁安全監(jiān)測中的光纖光柵傳感技術(shù)淺析

李 旭（中鐵二十局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710000）

針對傳統(tǒng)監(jiān)測難以滿足橋梁安全狀態(tài)監(jiān)測的問題，通過將光纖作為信號感知單元，可對橋梁結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)應(yīng)變進行感知，并對損傷狀況進行實時監(jiān)測和預(yù)警。光纖傳感技術(shù)是近年來發(fā)展非常迅速的一種信號測試手段，與傳統(tǒng)測試手段相比具有一系列的優(yōu)勢。本文從目前主要使用的光纖光柵（FBG）傳感橋梁監(jiān)測系統(tǒng)入手，從測試原理、測試方法和實現(xiàn)效果等方面進行分析，并對以后的技術(shù)發(fā)展做出了展望。

光纖光柵；橋梁；安全監(jiān)測

1 引 言

橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測一直是國內(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)在服役過程中, 由于過載、疲勞效應(yīng)以及外來沖擊等原因, 不可避免會產(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，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究中得到廣泛認可。其中, 光纖布拉格光柵(FBG)傳感器更以其波長編碼、對橫向和縱向應(yīng)變敏感等獨特特點受到了高度重視，近年來國內(nèi)外越來越多的工程單位和科研人員合作將光纖光柵作為信號感知單元對橋梁的受力情況進行測量[1-2]。

2 測試原理與測試系統(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)包含多個波長信號的光經(jīng)過光柵時，滿足布拉格條件的光在光柵中反射后沿原路返回，其他波長則穿過光柵。布拉格波長的反射條件為：

應(yīng)變導(dǎo)致FBG的中心波長產(chǎn)生偏移，當(dāng)在FBG產(chǎn)生拉伸或擠壓作用時，彈性形變導(dǎo)致柵區(qū)周期改變；同時彈光效應(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對應(yīng)變的良好感知能力，其被廣泛的應(yīng)用于應(yīng)力測量、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、安全監(jiān)測等領(lǐng)域。FBG傳感器波長的應(yīng)變情況與其中心波長、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，可以根據(jù)FBG波長的應(yīng)變情況推算傳感器的受力情況，通過綜合監(jiān)測系統(tǒng)下的多支傳感器的受力情況即可對被測結(jié)構(gòu)的受力情況進行監(jiān)測。典型的FBG傳感測量系統(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，光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機組成的信號處理單元。

圖1 FBG物理結(jié)構(gòu)圖

3 典型應(yīng)用

經(jīng)過三十余年的發(fā)展，國內(nèi)外已有較多基于FBG的橋梁健康監(jiān)測案例，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)測是一個涉及到多學(xué)科、跨行業(yè)的難點課題，總體而言，國內(nèi)外的研究目前還處于探索和試用階段。

3.1 國外應(yīng)用情況

布朗大學(xué)的門德斯等人在1989年首先提出了在混凝土結(jié)構(gòu)中使用光纖傳感器進行健康監(jiān)測。在此之后，歐美國家的科研人員對基于光纖傳感技術(shù)的工程質(zhì)量和健康監(jiān)測做了大量的研究[3]。同年，Woff等人在德國萊沃庫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脂砂架中，制成預(yù)應(yīng)力筋用于檢測橋面的內(nèi)部損傷情況。1999年，在美國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)時記錄的64個FBG傳感器。新世紀以來，歐美發(fā)達國家加快了FBG在橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了大量研究成果，表1列舉了國外部分基于FBG感知的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

表1 國外實施健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁

3.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

我國橋梁監(jiān)測工作相對發(fā)達國家較晚，近年來隨著整體科技實力和橋梁建設(shè)的發(fā)展，其作用和意義才逐漸被設(shè)計者、施工單位和管理部門所認同[4]。歐進萍等人在2001年的呼蘭河大橋施工過程中將光纖光柵埋入混凝土箱梁中，對結(jié)構(gòu)檢測領(lǐng)域進行了研究和探索。東南大學(xué)的張彪等人在河南洛陽的瀛洲大橋上進行了基于FBG傳感的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究，主要對主副拱和橋墩結(jié)合部的受力情況進行了監(jiān)測。武漢理工大學(xué)光纖傳感實驗室在武漢長江二橋建立了一套橋梁長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，能夠同時測量關(guān)鍵截面應(yīng)變和溫度、交通荷載、關(guān)鍵部位線形等。表2為國內(nèi)部分基于FBG感知的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

表2 國內(nèi)實施健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁

4 測試中的問題與下一步研究方向

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測涉及多門學(xué)科技術(shù)知識，包含內(nèi)容廣泛，同時光纖傳感技術(shù)相對電類信號測量來說還是一門新興學(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)測對傳感器的壽命要求長達數(shù)十年，同時要求在如此長的工作時間內(nèi)保持較高的測量精度和分辨力，基于此，需要對傳感探頭的封裝結(jié)構(gòu)進行深入研究，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?？紤]到進一步的產(chǎn)業(yè)化和工業(yè)化，需要對傳感器的生產(chǎn)技術(shù)、安裝工藝進行規(guī)范化升級，以滿足工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測下的長期穩(wěn)定性監(jiān)測要求。

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)測系統(tǒng)具有信號量規(guī)模大、不同信號和物理量并行處理的特點，對信號傳輸技術(shù)提出了更高的基礎(chǔ)，需要對基于波分復(fù)用、時分復(fù)用的組網(wǎng)技術(shù)進行深入研究，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)對硬件的處理效率是一大考驗，同時海量的數(shù)據(jù)對應(yīng)更好的誤差率，有可能導(dǎo)致錯誤的監(jiān)測結(jié)果，因此需要對監(jiān)測和預(yù)警算法、數(shù)據(jù)儲存結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)研究，運用合理算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、相應(yīng)濾波算法，避免信號數(shù)據(jù)污染，降低誤判率，實現(xiàn)全套監(jiān)測系統(tǒng)的安全可持續(xù)運行。

[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.基于光纖光柵振動傳感器的橋梁索力實時監(jiān)測[J].傳感技術(shù)學(xué)報, 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[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