橋梁安全監測中的光纖光柵傳感技術淺析

李 旭（中鐵二十局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710000）

橋梁安全監測中的光纖光柵傳感技術淺析

李 旭（中鐵二十局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710000）

針對傳統監測難以滿足橋梁安全狀態監測的問題，通過將光纖作為信號感知單元，可對橋梁結構的動靜態應變進行感知，并對損傷狀況進行實時監測和預警。光纖傳感技術是近年來發展非常迅速的一種信號測試手段，與傳統測試手段相比具有一系列的優勢。本文從目前主要使用的光纖光柵（FBG）傳感橋梁監測系統入手，從測試原理、測試方法和實現效果等方面進行分析，并對以后的技術發展做出了展望。

光纖光柵；橋梁；安全監測

1 引 言

橋梁結構的安全監測一直是國內外工程領域廣泛關注的重要研究課題。大型土木工程結構在服役過程中, 由于過載、疲勞效應以及外來沖擊等原因, 不可避免會產生結構損傷,并導致事故的發生。光纖傳感器因具有體積小、重量輕、抗電磁干擾等優點，在結構健康監測系統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、對橫向和縱向應變敏感等獨特特點受到了高度重視，近年來國內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

FBG是利用光纖的光敏性在紫外光照射下產生光致折射率變化，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，當包含多個波長信號的光經過光柵時，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：

應變導致FBG的中心波長產生偏移，當在FBG產生拉伸或擠壓作用時，彈性形變導致柵區周期改變；同時彈光效應導致芯內有效折射率發生變化。圖1所示為FBG的物理結構圖。

憑借著FBG對應變的良好感知能力，其被廣泛的應用于應力測量、結構健康監測、安全監測等領域。FBG傳感器波長的應變情況與其中心波長、結構體的材料以及傳感器受到的外力載荷大小有關。當FBG傳感器的結構體確定時，可以根據FBG波長的應變情況推算傳感器的受力情況，通過綜合監測系統下的多支傳感器的受力情況即可對被測結構的受力情況進行監測。典型的FBG傳感測量系統主要包括三部分：傳感單元，光源、耦合器和環形器等組成的光路部分，光電探測器、數據采集卡和上位機組成的信號處理單元。

圖1 FBG物理結構圖

3 典型應用

經過三十余年的發展，國內外已有較多基于FBG的橋梁健康監測案例，但由于橋梁結構及其所處環境的復雜性，加上橋梁結構監測是一個涉及到多學科、跨行業的難點課題，總體而言，國內外的研究目前還處于探索和試用階段。

3.1 國外應用情況

布朗大學的門德斯等人在1989年首先提出了在混凝土結構中使用光纖傳感器進行健康監測。在此之后，歐美國家的科研人員對基于光纖傳感技術的工程質量和健康監測做了大量的研究[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，制成預應力筋用于檢測橋面的內部損傷情況。1999年，在美國新墨西哥州際高速公路的鋼結構橋梁上，安裝了創當時記錄的64個FBG傳感器。新世紀以來，歐美發達國家加快了FBG在橋梁健康監測領域的應用，并取得了大量研究成果，表1列舉了國外部分基于FBG感知的橋梁健康監測系統。

表1 國外實施健康監測系統的橋梁

3.2 國內應用情況

我國橋梁監測工作相對發達國家較晚，近年來隨著整體科技實力和橋梁建設的發展，其作用和意義才逐漸被設計者、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，對結構檢測領域進行了研究和探索。東南大學的張彪等人在河南洛陽的瀛洲大橋上進行了基于FBG傳感的結構健康監測系統研究，主要對主副拱和橋墩結合部的受力情況進行了監測。武漢理工大學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測系統，能夠同時測量關鍵截面應變和溫度、交通荷載、關鍵部位線形等。表2為國內部分基于FBG感知的橋梁健康監測系統。

表2 國內實施健康監測系統的橋梁

4 測試中的問題與下一步研究方向

橋梁結構的健康監測涉及多門學科技術知識，包含內容廣泛，同時光纖傳感技術相對電類信號測量來說還是一門新興學科，因此，從軟硬件技術、數據處理方法等方面還有待進一步的研究和完善。

4.1 傳感探頭結構研究

橋梁結構的健康監測對傳感器的壽命要求長達數十年，同時要求在如此長的工作時間內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構進行深入研究，確保傳感器的高可靠性、良好的防塵性能以及相應的防振性能。考慮到進一步的產業化和工業化，需要對傳感器的生產技術、安裝工藝進行規范化升級，以滿足工程結構監測下的長期穩定性監測要求。

4.2 光纖傳感網傳輸技術研究

大型橋梁結構中需要大量各異的傳感單元，因此在光纖感知橋梁健康監測系統具有信號量規模大、不同信號和物理量并行處理的特點，對信號傳輸技術提出了更高的基礎，需要對基于波分復用、時分復用的組網技術進行深入研究，提升數據融合和重構技術等。

4.3 海量數據處理分析方法研究

大量數據對硬件的處理效率是一大考驗，同時海量的數據對應更好的誤差率，有可能導致錯誤的監測結果，因此需要對監測和預警算法、數據儲存結構進行系統研究，運用合理算法，如神經網絡算法、相應濾波算法，避免信號數據污染，降低誤判率，實現全套監測系統的安全可持續運行。

[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測[J].傳感技術學報, 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的橋梁結構內部應變監測[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