基于FBG傳感器的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)

劉安龍，朱緯，魏金龍，周衛(wèi)豐，肖正興，王彥

（1.馬鞍山市博望區(qū)公路管理局，安徽 馬鞍山 243131；2.馬鞍山市縣鄉(xiāng)公路管理局，安徽 馬鞍山 243011；3.安徽省交通建設(shè)股份有限公司，安徽 合肥 230000；4.馬鞍山天和市政工程有限公司，安徽 馬鞍山 243000；5.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

0 前言

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，光纖傳感技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展與應(yīng)用，其中在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面就是一個(gè)典型的示例。目前，世界上使用較為普遍的傳感器有光纖光柵傳感器和光纖法珀傳感器。光纖法珀傳感器是將兩個(gè)單模光纖的端面加工成鏡面形成反射面，裝入一個(gè)密封玻璃管內(nèi)，并使它們嚴(yán)格平行、同軸，形成一個(gè)光纖法珀腔[1]。當(dāng)一束光通過(guò)光纖入射到法珀腔內(nèi)時(shí)，會(huì)在兩邊光纖端面分別反射并按原路返回。當(dāng)外界產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而會(huì)改變輸出光強(qiáng)和波長(zhǎng)的分布，通過(guò)光纖法珀應(yīng)變解調(diào)儀解調(diào)，由光強(qiáng)和波長(zhǎng)的變化得到混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變量。光纖光柵傳感器作為發(fā)展最為迅速的光纖傳感器在許多重要領(lǐng)域得到應(yīng)用,其中傳感器就有多種：溫度傳感器、位移傳感器、應(yīng)變傳感器等[2-3]。

其中光纖光柵傳感器在橋梁的安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。早在1996年，Davis.M.A在美國(guó)新墨西哥州立大學(xué)的橋梁模型上安裝了60個(gè)光纖光柵傳感器，對(duì)橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量[4]。2003年，40個(gè)FBG傳感器分成3組安裝到青馬大橋[5]，主要目的是監(jiān)測(cè)在汽車(chē)和火車(chē)荷載作用下的應(yīng)變值。2005年，同濟(jì)大學(xué)研究小組在東海大橋主航道橋上安裝了34個(gè)光纖光柵傳感器，監(jiān)測(cè)了跨中節(jié)段的整個(gè)施工工程[6]。本文通過(guò)在橋梁模型中模擬光纖布拉格光柵的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，說(shuō)明光纖光柵傳感器在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 光纖布拉格光柵（FBG）傳感器

1.1 FBG基本原理

FBG是一種纖芯折射率周期性變化的光纖。在纖芯內(nèi)形成的空間相位周期性分布的光柵，實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡[7]，如圖1所示。

圖1 光纖布拉格光柵原理圖

其中反射波長(zhǎng)與纖芯的有效折射率以及光柵的周期的關(guān)系如下：

式中，（λ）_B為FBG的中心波長(zhǎng)，Λ為光柵周期，n_eff為纖芯有效折射率。光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)與介質(zhì)折射率有關(guān),會(huì)隨著溫度、應(yīng)變等一些參數(shù)的變化而變化。圖2為光纖光柵傳感器的原理圖。本文所使用的是實(shí)驗(yàn)中使用的解調(diào)系統(tǒng)為BaySpec公司的FBGA快速解調(diào)儀。

1.2 應(yīng)變的測(cè)量

FBG的波長(zhǎng)受到光柵周期以及光柵纖芯有效折射率的影響，而實(shí)際運(yùn)行中，待測(cè)物體的應(yīng)變、溫度等因素的變化會(huì)改變光柵周期以及纖芯有效折射率，從而FBG的波長(zhǎng)會(huì)對(duì)應(yīng)的發(fā)生改變，稱(chēng)為布拉格中心波長(zhǎng)漂移量[8]。這里由于應(yīng)變產(chǎn)生的布拉格中心波長(zhǎng)漂移量：

（式中，P）_e為有效彈光系數(shù)，Δε為應(yīng)變變化量，K_ε為FBG的應(yīng)變靈敏系數(shù)。對(duì)于普通單模石英光纖，P_e約為0.22，靈敏系數(shù)高，在結(jié)構(gòu)檢測(cè)中范圍大，有很好的線性輸出。

圖2 光纖光柵傳感器原理圖

2 FBG傳感器在拱梁組合體系橋梁中應(yīng)變監(jiān)測(cè)

2.1 橋梁模型結(jié)構(gòu)分析與監(jiān)測(cè)內(nèi)容

本文所用的模型橋?qū)儆诠傲航M合體系橋梁，是根據(jù)實(shí)際橋梁按1∶500比例建成的，橋的跨徑400cm，橋?qū)?2cm,凈寬22cm，實(shí)際橋梁長(zhǎng)度約1576m。主拱肋跨徑235cm，立面矢高44cm，副拱肋立面矢高27cm，主副拱肋之間設(shè)有連桿，共27對(duì)，間距10cm。橋面板采用ABS工程塑料鋪設(shè)而成，橋面底部考慮試驗(yàn)設(shè)備的安裝，加強(qiáng)筋尺寸約10cm×20cm。由于實(shí)驗(yàn)室溫度恒定，故可以排除溫度對(duì)傳感器波長(zhǎng)的影響。雖然橋梁由于自重產(chǎn)生應(yīng)變，但在車(chē)輛通過(guò)橋面時(shí)，車(chē)輛壓力使橋面產(chǎn)生的應(yīng)變效果要更為明顯，所以傳感器的檢測(cè)結(jié)果就是車(chē)輛在通過(guò)橋梁時(shí)，橋梁所產(chǎn)生的應(yīng)變。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)模型

2.2 橋梁模型的受力分析與傳感器的布設(shè)

在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)和受力分析尤為重要，它決定了傳感器的選擇和布設(shè)。而傳感器的選擇和布設(shè)又影響橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)結(jié)果的質(zhì)量，因此，進(jìn)行傳感器的最優(yōu)數(shù)目選擇和測(cè)點(diǎn)定位優(yōu)化設(shè)計(jì)是必要的。在實(shí)際運(yùn)用中，最優(yōu)良的設(shè)計(jì)是通過(guò)使用盡可能少的傳感器來(lái)獲取最全面可靠的橋梁信息[9]。

根據(jù)橋梁模型結(jié)構(gòu)分析與監(jiān)測(cè)內(nèi)容結(jié)果表明，由于橋梁本身自重的原因會(huì)出現(xiàn)正彎矩現(xiàn)象，并且在梁的正中位置正彎矩最大。在車(chē)輛通過(guò)橋梁的中間位置時(shí)，由于車(chē)輛的壓力和橋梁本身的自重，橋梁應(yīng)變最為明顯，形變幅度最大，為負(fù)載最不利的地方，故應(yīng)該在此處加強(qiáng)應(yīng)力重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，多布設(shè)傳感器。車(chē)輛位于橋梁的±1/4處時(shí)，由于拉桿拉力和橋墩的支持力效果明顯，此處橋的應(yīng)變逐漸減小，但應(yīng)變效果依舊明顯，此處應(yīng)該布設(shè)較多的傳感器。而當(dāng)車(chē)輛通過(guò)橋墩處時(shí)，橋梁幾乎不發(fā)生應(yīng)變，相對(duì)比較平穩(wěn)，此處應(yīng)該較少的布設(shè)傳感器。綜上所述,為了本次實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，本次實(shí)驗(yàn)分別在橋梁面的1/2布設(shè)兩個(gè)應(yīng)變傳感器，在±1/4處各布設(shè)一個(gè)應(yīng)變傳感器。

2.3 FBG應(yīng)變傳感器

本文檢測(cè)環(huán)境是在橋梁模型中實(shí)現(xiàn)的，橋梁模型相較于實(shí)際橋梁較小，故不使用實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器[10]，而采用的是Acrylate SMF-28e類(lèi)型光纖，其中心波長(zhǎng)為1550.058nm,帶寬為0.186nm，邊模抑制比為21.63dB，反射率為94.98%，柵區(qū)長(zhǎng)度為10nm，兩端尾纖長(zhǎng)度為1/1m。傳感器結(jié)構(gòu)如下圖4所示，將刻有布拉格光柵的纖芯段去掉包層和保護(hù)層，直接裸露在外界。在粘貼時(shí)，為保護(hù)纖芯不被折斷，應(yīng)先將纖芯兩端的保護(hù)層部分輕輕拉平粘貼固定于指定位置，再將纖芯部分中心段固定粘貼于待測(cè)區(qū)。同時(shí)，為了避免光信號(hào)在傳輸中的損耗，以纖芯為中心，將兩端的保護(hù)層每隔8cm粘貼固定，各邊至少粘貼固定2次。

圖4 應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.4 橋梁數(shù)據(jù)采集與分析

為驗(yàn)證FBG可應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將其應(yīng)用于模型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。FBG光纖傳感器直接將傳感信息傳輸?shù)焦饫w解調(diào)儀中，將光纖解調(diào)儀與PC連接，經(jīng)過(guò)光纖解調(diào)儀解調(diào)的信息最終在PC終端以圖文方式顯示。

圖5 模型橋數(shù)據(jù)采集框架圖

在傳感器安裝完畢之后即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，設(shè)置采集頻率為1Hz，采集時(shí)長(zhǎng)為15s。通過(guò)PC終端數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)MATLAB數(shù)據(jù)處理制成圖譜。

2.3.1 1/4處應(yīng)變

如圖6所示，可以看到在車(chē)輛通過(guò)橋梁1/4時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)變，傳感器接收信號(hào)，波長(zhǎng)發(fā)生偏移，最大偏移量接近9pm,當(dāng)車(chē)輛駛離1/4處時(shí)，波長(zhǎng)逐漸恢復(fù)，與現(xiàn)場(chǎng)狀況符合，檢測(cè)結(jié)果可以很好的表現(xiàn)橋梁事實(shí)狀況。

圖6 橋梁1/4處傳感器波長(zhǎng)變化量-時(shí)間圖譜

2.3.2 1/2處應(yīng)變

如圖7所示，可以看到傳感器中心波長(zhǎng)開(kāi)始已經(jīng)發(fā)生微弱偏移，一段時(shí)間后中心波長(zhǎng)偏移量瞬間變大，隨后逐漸恢復(fù)。觀察現(xiàn)場(chǎng)可知，當(dāng)車(chē)輛未行駛到橋梁1/2處時(shí)，由于橋梁橋面板是一個(gè)整體，產(chǎn)生共振，在車(chē)輛駛?cè)霕蛄簳r(shí)，整個(gè)模型橋都有微小震動(dòng)，傳感器接收信號(hào)，波長(zhǎng)發(fā)生微弱偏移。當(dāng)車(chē)輛行駛至橋梁1/2處，應(yīng)變效果明顯，中心波長(zhǎng)瞬間變化，最大偏移量接近33pm。

通過(guò)比對(duì)兩組圖譜，可以看到位于1/2處傳感器中心波長(zhǎng)偏移量大于位于1/4出傳感器中心波長(zhǎng)偏移量，這也間接證實(shí)了由于橋梁自重和橋梁結(jié)構(gòu)受力，位于橋梁1/2處的應(yīng)變最為明顯，與實(shí)際情況符合。所以再次可以證明FBG傳感器可以用于橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

圖7 橋梁1/2處傳感器波長(zhǎng)變化量-時(shí)間圖譜

3 結(jié)論

隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文提出了一種基于FBG傳感器的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在模型橋梁中搭建橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，采用FBG應(yīng)變傳感器對(duì)模型橋梁關(guān)鍵部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與評(píng)估。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了實(shí)際橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)營(yíng)狀況，以及監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性和靈敏性的因素，確保橋梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行。在數(shù)據(jù)采集之后，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的觀察，可以發(fā)現(xiàn)FBG傳感器可有效穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)橋梁狀態(tài)變化，為橋梁安全評(píng)估技術(shù)提供數(shù)據(jù)支持，適合橋梁長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。

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