光纖傳感技術在橋梁檢測中的運用

張杰

(湖南省交通科學研究院,湖南長沙 410015)

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光纖傳感技術在橋梁檢測中的運用

張杰

(湖南省交通科學研究院,湖南長沙 410015)

摘要:在基礎設施的維護中,橋梁因其獨特的建筑作用而備受關注。與傳統電檢測技術相比,光纖傳感器可提高橋梁動測中的數據精度。文中結合光纖傳感技術的原理、工具和技術特點,對光纖傳感技術在橋梁檢測中的應用進行了闡述。

關鍵詞:橋梁;光纖傳感技術;檢測

距離長、跨區域廣、造價高是當前城市橋梁建設的特點,檢測和維護是保證橋梁正常使用的關鍵。傳統的橋梁檢測以電檢測技術為主,受困于電磁干擾、潮氣侵蝕等,傳感器無法長期固定在橋梁上,造成極大的資源浪費,也增加了檢測的時間成本。近年來,光纖傳感技術由于使用光纖作為傳輸媒介,有效解決了上述問題,在橋梁檢測、隧道檢測等方面得到有效運用。

1 光纖傳感技術原理

1.1 光纖傳感器

光纖傳感器分為三部分,即光源、光纖與探測器。光源負責向光纖發射光,經過光纖傳輸到調制區域。在這個區域,光開始與被檢測的橋梁部位相互作用,使得光源的強度、相位、頻率、偏振態、波長等參數產生相應變化,把普通光轉變成特殊信號,經過探測器接收與分析形成數字匯報。光纖是傳感器的主要傳輸材料,具有規劃和引導光源傳輸路徑的作用,還能在一定程度上承擔測量任務,效率遠高于其他材料。光纖的纖芯被包層、樹脂、塑料層層覆蓋,形成有效的絕緣體和保護層。以材料標準分類,傳感器使用的光纖可分為玻璃光纖和塑料光纖兩類;以折射率標準分類,可分為階躍折射率光纖、梯度折射率光纖兩種。

光纖傳感器一般分為點式光纖傳感器、積分式光纖傳感器和分布式光纖傳感器,不同點在于其檢測范圍和精度不同。相對于前兩種傳感器,分布式傳感器最常見,其主要原理是通過散射返回的能量反映光纖分布的變化參數,集合了時域反射、干光頻域反射及非相干光頻域反射等技術,可在不進行爆破、破壞的情況下迅速掌握橋梁的各種參數、變動和具體位置。

1.2 光纖傳感技術與傳統技術的差別

傳統的橋梁檢測采用電檢測技術,主要原理是在橋梁的部分關鍵位置安裝電阻應變片進行感應測試,利用電阻應變片與電阻變化之間的規律進行測量,幫助探測器進行數據分析和結果統計。它以應變-電量為依據,將電信號作為傳輸的媒介,通過導線進行傳輸信號。這種方式存在許多不足之處:易受當地環境的影響,如當空氣濕度較大時,會使電阻增大,造成短路等;容易造成各種事故,如由于高溫、電路老化等問題造成火災、爆炸等事故。

光纖傳感器的主要傳輸媒介是光信號,傳輸工具是光纖。相比于傳統傳感器,光纖傳感器在材質、后患、靈敏度上都有較大進步。光纖由絕緣媒介石英玻璃制成,不僅能有效絕緣,還可耐高溫和腐蝕,面對復雜的外界環境進行檢測;此外,光纖傳感器不會對橋梁產生任何結構性傷害,由于其體積小、重量輕,可對許多復雜的橋梁進行實地檢測,做成形狀符合檢測要求的傳感陣。同時,在抗干擾能力上,光纖傳感器在傳輸介質上也占據很大優勢,影響范圍大,靈敏度和分辨率高。

1.3 光纖傳感器的技術特點

光纖傳感器在橋梁工程檢測中得到了廣泛應用,研究和工程應用表明其具有如下特點:

(1)操作性好,防干擾性強。光纖傳感器進行橋梁檢測不易受其他因素的干擾,且光信號在傳輸中不會與電磁波發生對沖,也不受外界噪聲的影響。

(2)光纖具有很好的柔韌性,光纖傳感器可根據現場檢測需要做成不同的形狀。

(3)光纖傳感器的測量頻帶寬,且動態響應范圍大。

2 光纖傳感技術在橋梁檢測中的應用

2.1 檢測橋梁振動

利用光纖傳感技術檢測橋梁振動,可得到橋梁工程整體或部分的振動參數,如頻率、振幅等。檢測措施為:將信號光纖附著在橋梁表層或埋入橋梁內部,光纖可隨著橋梁的振動而發生振動響應,終端所輸出光的某些具體參數的周期發生相應變化,光電探測器接收到的光強也作同樣的周期性變化,處理系統將所接收的振動信號進行FFT(Fast Fourier Transform)分析后,即可得到橋梁最終的振動頻率及周期。

2.2 檢測橋梁結構應力、應變情況

橋梁的內應力是工程能否正常使用的主要評價參數之一,在橋梁結構的內應力監測上必須做到細致入微。當前,橋梁內應力檢測使用的常見器材為F-P光纖傳感器及光纖布拉格光柵傳感器。前者可用于橋梁局部工程的應力檢測,后者則用在橋梁工程的分布應力監測上。山東省濟南黃河公路大橋是黃河中下游跨度最大的橋梁,日均車流量近4萬輛次。使用F-P光纖傳感器對其進行靜、動態測試,結果顯示,光纖傳感器的分辨率可達到0.13με,完全滿足橋梁靜態、動態檢測要求,可很清楚地顯示各種車輛在以同一速度通過橋梁時橋梁內部結構應力變化。

2.3 砼結構檢測

砼是橋梁的筋骨,在經過長時間的侵蝕、使用后會產生裂縫等。根據裂開的程度,砼裂縫可分為貫穿縫和深縫(0.2～0.3 mm)兩類。貫穿縫的出現直接破壞橋梁的整體安全性,極大降低了橋梁的承載能力。裂縫是產生橋梁坍塌事故的主要隱患,按損傷物理學的研究,工程破壞是結構損傷積累到一定程度的表現形式,也就是說裂縫是橋梁內部損傷達到危險程度時釋放的一種信號,對這種信號的檢測可加強橋梁的安全預警。

光纖傳感技術在砼檢測上具有傳統電檢測技術無法比擬的優勢:它可在橋梁的整體控制上實現分布式檢測,克服了電檢測在控制上的空間不連續問題,且不會出現漏檢、漏報險情的現象。光纖傳感技術架設方便、簡易,不會對埋設部位砼造成傷害,也不會影響砼的性能和力學參數。在檢測過程中,其傳輸穩定性可最大程度地輸出真實的數值,并且能和光纖傳輸系統集成合作,一同組合成遙測自動化系統。

2.4 其他檢測

當今的橋梁檢測項目繁多,除上述檢測項目外,光纖傳感技術還可應用在橋梁的受力結構附件的檢測上,如懸索橋主纜、吊桿、系桿、拱橋系桿等的檢測;也可檢測土木工程結構的預應力錨固構件,如錨索、錨桿等。上述構件的檢測值、大小及分布變化可準確反映橋梁的使用性能。

3 結語

光纖傳感器成本低,適用于長距離、大型橋梁工程的檢測和預警,也可應用于其他大型工程檢測。隨著光纖檢測技術的不斷發展,橋梁健康監測也更加容易,為橋梁長期、實時的安全檢測奠定了技術基礎。同時,光纖傳感技術有助于推動橋梁結構研究的深入,使橋梁設計更合理、更完善。光纖傳感技術具有眾多優點,具有廣闊的應用前景。

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收稿日期:2015-11-20

中圖分類號:U446.2

文獻標志碼:B

文章編號:1671-2668(2016)02-0203-02