光纖光柵傳感器在路橋隧結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

柏格文 齊云鵬

摘 要：文章介紹了光纖布拉格光柵傳感器的原理和發(fā)展，列舉分析其目前應(yīng)用于路橋隧領(lǐng)域的研究及工程實(shí)例。文章著重闡述光纖光柵傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值，并剖析光纖光柵傳感器在道路應(yīng)用方面存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：光纖光柵傳感器；道路；橋梁；隧道；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

1 光纖光柵傳感技術(shù)簡(jiǎn)介

光纖布拉格光柵（Fibber Bragg Gratting，F(xiàn)BG）由加拿大信息通信學(xué)家Ken Hill等于1978年發(fā)明。通過(guò)利用含鍺光纖的光敏特性，當(dāng)光照射時(shí)產(chǎn)生光纖纖芯折射率的軸向周期性改變，結(jié)合信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)反饋光強(qiáng)與纖芯物理性質(zhì)變化的擬合。在1989年，Ken Hill等利用紫外激光干涉圖樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)FBG的橫向周期結(jié)構(gòu)反饋；在1993年，運(yùn)用相位掩摸技術(shù)的FBG技術(shù)有效降低了寫(xiě)入光的相干性要求，為FBG傳感器的量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。纖芯折射率（模態(tài)指數(shù)）分布（見(jiàn)圖1）和光譜響應(yīng)（見(jiàn)圖2）反映了FBG的工作原理。

FBG中反映光纖折射率周期性變化的反射波長(zhǎng)^。的定義式：

其中，ne為纖芯有效折射率（模態(tài)指數(shù)）；人為光柵周期。纖芯有效折射率在多模光波導(dǎo)條件下取決于光的傳播模態(tài)和波長(zhǎng)，因而也被稱(chēng)作模態(tài)指數(shù)。由于FBG波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)變和溫度的高敏性，F(xiàn)BG傳感器在感溫和變形測(cè)量方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。在載荷應(yīng)變∈或溫度變化△，下，F(xiàn)BG波長(zhǎng)偏移系數(shù)可由下式推算[1]：

其中，Cs為應(yīng)變系數(shù)，由應(yīng)變光學(xué)系數(shù)導(dǎo)出，CT是光纖的熱膨脹溫度系數(shù)。通過(guò)對(duì)不同的測(cè)試需求采用增敏技術(shù)，寫(xiě)入光柵并封裝，可制成FBG傳感探頭。光纖光柵傳感系統(tǒng)由光源、FBG傳感器、光信號(hào)解調(diào)儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[2]，將纖芯中的后向散射光信號(hào)解調(diào)后進(jìn)行處理，故對(duì)傳感器件集成度有較高的要求。

2 光纖光柵傳感器在路橋隧工程中的應(yīng)用

工程建設(shè)的費(fèi)效比優(yōu)化一直是科研的熱點(diǎn)方向，不論施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)都尋求穩(wěn)定高效。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（ StructuralHealth Monitoring，SHM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，補(bǔ)充甚至超越了傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)受到損害時(shí)，完成4步：判斷損傷存在并定位、識(shí)別損傷類(lèi)型、量化損傷程度、損傷評(píng)估，進(jìn)而保障結(jié)構(gòu)的安全性。Boller等[3]指出SHM是通過(guò)內(nèi)嵌式集成傳感設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)荷載和損傷情況進(jìn)行采集分析，并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)損傷的技術(shù)。FBG傳感器對(duì)應(yīng)變和溫度的敏感性強(qiáng)，在SHM中得到了廣泛應(yīng)用。

FBG傳感器在橋梁SHM中主要用于預(yù)應(yīng)力拉索索力監(jiān)測(cè)、混凝土應(yīng)變與裂縫監(jiān)測(cè)、復(fù)合材料性能監(jiān)測(cè)等。胡軍等[4]將FBG傳感器預(yù)布設(shè)于梁體內(nèi)部，通過(guò)減敏封裝技術(shù)克服了光纖線膨脹系數(shù)過(guò)小的問(wèn)題，驗(yàn)證了FBG技術(shù)在連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力索索力監(jiān)測(cè)中的可行性。盧哲安等[5]通過(guò)埋入式FBG傳感器和振弦傳感器對(duì)混凝土應(yīng)變的比較，得出FBG傳感器在線性響應(yīng)上優(yōu)于后者的結(jié)論，由荷載一應(yīng)變圖變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展和斷裂等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。位于加拿大Headingly的Taylor大橋采用FRP復(fù)合材料預(yù)應(yīng)力筋，配備了66個(gè)FBG傳感器以監(jiān)測(cè)復(fù)合材料及混凝土的應(yīng)變，將光信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)解調(diào)后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)，并傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站留存。得益于FBG傳感器優(yōu)異的抗電磁能力、良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高精高敏性，其在橋梁SHM中的應(yīng)用前景十分廣闊。

FBG傳感器在隧道SHM中主要用于對(duì)襯砌應(yīng)力和應(yīng)變等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，評(píng)估巖體自變形及滲透、泥石流等各類(lèi)次生災(zāi)害造成的影響。Brusi等[6]運(yùn)用FBG技術(shù)對(duì)隧道橫斷面進(jìn)行四模塊彎曲實(shí)驗(yàn)，結(jié)合決策支持系統(tǒng)（DecisionSupport System，DSS）實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道應(yīng)力應(yīng)變的實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)，對(duì)突發(fā)異常情況能快速判別并報(bào)警，尤其在震區(qū)效果顯著。國(guó)內(nèi)胡軍[7]在廈門(mén)翔安隧道橫斷面配置8個(gè)FBG傳感器，驗(yàn)證其用于二襯應(yīng)變監(jiān)測(cè)的可行性，定性分析了溫度補(bǔ)償?shù)目煽啃浴BG傳感器與隧道襯砌契合度高，對(duì)于處于不可接受范圍的應(yīng)變有良好的感知和反饋能力，是隧道SHM傳感系統(tǒng)的理想之選。

FBG傳感器在道路SHM中主要用于路面結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)、路面溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)。路面結(jié)構(gòu)承受直接荷載時(shí)，對(duì)基層的應(yīng)變測(cè)量有別于橋梁和隧道的直接監(jiān)測(cè)；同時(shí)，瀝青路面的拌搗溫度高達(dá)160℃，超高溫以及鋪裝時(shí)對(duì)預(yù)布置FBG傳感器易造成損害。目前，國(guó)內(nèi)瀝青路面FBG傳感器多采用封裝方式隔絕高溫和二次損害，同時(shí)經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)制定FBG應(yīng)變與瀝青混合料協(xié)同變形的相關(guān)方法，校正FBG傳感器。譚憶秋等[8]利用哈工大研發(fā)的受拉和受壓FBG傳感器，對(duì)加載寬梁進(jìn)行研究，比對(duì)FBG監(jiān)測(cè)的應(yīng)變值和瀝青混合料的累計(jì)應(yīng)變，只有受拉PP型傳感模量能在一定程度上匹配重復(fù)加載下的瀝青混合料變形特性。FBG傳感器與瀝青材料的匹配度隨著時(shí)間推移而降低，應(yīng)力應(yīng)變的無(wú)規(guī)律反復(fù)對(duì)FBG的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)，一方面需要針對(duì)原材料和使用情況有別的路面進(jìn)行FBG匹配設(shè)計(jì)，另一方面要科學(xué)制定相關(guān)規(guī)范、促進(jìn)FBG技術(shù)在道路SHM中的規(guī)范統(tǒng)一。

3結(jié)語(yǔ)

光纖布拉格光柵傳感器的發(fā)展拓寬了光學(xué)儀器在民用工程中的應(yīng)用前景，為路橋隧等大型工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了優(yōu)質(zhì)的傳感技術(shù)平臺(tái)。人們對(duì)于FBG傳感系統(tǒng)所做出的探索從未停止，目前看來(lái)，國(guó)內(nèi)的FBG-SHM仍需深入研究、逐步完善，為光學(xué)儀器和土木工程的交叉應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。

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