土木工程結構中光纖傳感器的應用探討

劉成祥

(身份證號：230102198707184614)

土木工程結構中光纖傳感器的應用探討

劉成祥

(身份證號：230102198707184614)

將光纖傳感元件及形狀記憶合金等驅動元件埋入傳統土木工程結構中，用以測量結構強度、損傷、變形及施工質量，并結合信息處理系統，使土木工程結構實現智能功能，可對結構信息自動采集及分析處理，進而使土木工程結構具有自檢測、自適應、自診斷、自修復等功能。本文較深入地探討了目前光纖傳感器類型及特點，通過回顧國內外土木結構中光纖傳感系統相關應用，對光纖傳感技術應用于土木結構的發展前景進行了展望。

土木工程；光纖傳感器；應用探討

1. 前言

在國際上智能結構系統逐漸成為近年來的一個新興前沿多學科交叉研究領域，主要是在基體材料融合仿生命功能材料，使其結構具有智能功能。智能結構將傳感與控制系統相集成，可實現自我感知、診斷及調節，進而使結構能夠恰當反應變化的內部狀態和外部環境激勵。傳感系統在智能結構中與人體神經元相當，執行系統與肌肉相當，控制系統與大腦相當，這與傳統工程結構的生命特征相符。目前，智能結構研發應用備受世界關注，并在八九十年代相繼開展了很多的基礎研究及應用。

2. 土木工程結構監測

土木工程結構及重大基礎設施設計通常都需要較長的基準期，使用較為惡劣的環境，因此在應用過程中，受疲勞效應、環境荷載及老化的腐蝕材料等因素的不利影響，結構將難免受到積累損傷與衰減抗力，嚴重的還將引發災難性突發事故。為此，需要土木工程結構具有示警或對失事進行感知的智能功能，進而在失事前利用感知系統對結構內部狀態變化進行感知，以便及時作出預警或自動加固結構及修復，以及時修復結構中潛在問題。如同人骨折后，將骨縫對好，斷骨結合將自愈合的功能。

土木工程結構和重大基礎設施通常跨度長、體積大、分布面廣且使用較長時間，傳統傳感器件構成的監測系統在性能耐久穩定、分布范圍等方面還有待于不斷完善以適應工程所需。所以，針對土木工程結構特點研制的智能型傳感系統應具有感知材料高性能、靈敏穩定等特點，以達到診斷評定大型土木工程結構的實際需求。

3. 光纖傳感器

常用傳感材料在智能結構系統中主要采用光導纖維及形狀記憶合金等材料，因光導纖維材料柔韌、具有較低價格、較細直徑、較小體積和能耗、較高靈敏度、較輕質量、較強抗電磁干擾能力、耐高溫、抗腐蝕、檢測方便、信息傳輸和傳感集于一體等優點，智能結構系統中被認為是一種首選傳感材料，并在土木工程結構中廣泛應用。在土木工程結構中將光纖傳感器埋入，利用對光強、相位等傳輸特性的分析，可獲得光纖周圍材料的有關參數變化，進而實現實時、動態監控土木工程結構的健康狀態，為人工智能和神經網絡技術的應用打下堅實基礎。

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

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，光纖受外界待測量作用而引起參量變化，進而調制光纖中傳播的光波參量，再將調制信號利用光探測器和檢測電路向電信號轉換。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。在檢測診斷土木工程結構中，這兩種光纖傳感器的應用前景都比較廣。

4. 國內外光纖傳感器的研究及應用

美國布朗大學的門德斯等人于1989年首先提出在混凝土結構中采用光纖傳感器進行健康檢測。隨后，加拿大、英德等國研究人員也相繼在土木工程中開展了光纖傳感系統的應用研究工作，比較突出的就是美國韋爾蒙特大學的研究成果。我國也有很多科研機構開展了有關研究工作，以重慶大學等單位的研究成果為主要代表。尤其是提高近年來的研究，在橋梁、建筑結構、水壩等大型土木工程結構中埋入光纖傳感器的報道不斷涌現，主要用于對結構的應力、應變及損傷等情況的檢測，并獲得良好結果。諸如因橋梁結構一般具有較大跨度，因此橋梁結構安全備受關注。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構，通過對光纖傳感系統對橋梁荷載及其在荷載作用下效應的檢測，實現對橋梁結構安全性的科學客觀評價。

1989 年，在美國州際公路橋上將光纖振動傳感器粘貼路橋結構上用于對橋共振頻率的檢測；1992年，德國一城市將光纖傳感器埋入橋梁上下表面用于對橋梁應變、裂縫及腐蝕情況的檢測，從而對橋梁安全狀況進行評估；1994年，德國在柏林市區將光纖干涉應變傳感器粘貼在一橋梁的鋼筋上，用來對鋼筋在車輛通過時發生變形和振動情況的測量；之后，又建成第一座采用預應力碳纖維復合材料和鋼筋結構的橋梁，將光纖布拉格光柵應變傳感器加入碳纖維中，用于對損失碳纖維預應力的檢測。美國曾將約6.5公里長的光纖埋入水電大壩中，用于對水壩振動、壩面水壓力和流速的檢測。充分利用互聯網資源共享功能，任一國家都充分利用大壩光纖傳感系統數據文件，對水壩安全狀態等開展深入探討，這都可能是未來土木工程結構狀態信息處理的發展趨勢。

5. 土木工程結構中光纖傳感技術的發展前景

在傳統土木工程結構中應用智能材料結構系統進行健康檢測診斷還處于一個新型研究領域，它將主要采用人工目視檢查的手段徹底改變，使檢測技術實現自動化。但因受過去相關研究工作基礎所限，而且在土木工程結構中難以研究其傳感原理，傳感及數據處理系統經濟性等問題也在一定程度上影響該領域的研究工作。但隨著基礎研究的深入開展，選擇適宜的檢測參數，在土木工程結構中應用光纖傳感材料與系統具有比較廣闊的前景，這對傳統土木工程學科帶來難得的機遇，也必將產生客觀的經濟社會效益。

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K928

B

1007-6344（2015）09-0188-01

劉成祥（1987—），男，漢族，大學本科學歷，研究方向：土木工程。