光纖傳感技術在橋梁檢測中的應用

王 謙 ，李 華

［1.中大檢測（湖南）股份有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南高速工程咨詢有限公司，湖南 長沙 410000］

0 引言

大橋建設是一座國家的經濟命脈，而大橋的建設與保護又是一項國家基礎設施建設的關鍵部分。所以，大橋的安全與可常性成為事關國計民生的一項大事。長期以來，人類對橋梁的安全監測始終以電測量方式為主。但由于電磁干擾和潮濕腐蝕使這些方式不能進行長時間置放，因此檢測中需要臨時置放大量的電子傳感器，這不但需要巨大的人力和物資，同時需要大量經過專業培訓的電子工程師。同時由于測試結果都是瞬時的，無法精確、準時地預測橋梁工作狀況，所以，所得結論仍然無法達到安全的要求。歷年均有大橋坍塌的報道。若在大橋中埋設可長期置放的感應器，將可即時檢測大橋的安全情況，并采取合理安全措施避免惡性事故的出現。光纖傳感器由于尺寸較?。讖絻H為125μm，用于光纖傳感器的總長度可短至幾毫米）、體積輕巧、不導電、反應速度較快、抗腐蝕性、不受電磁射頻和閃電流等的干涉因素，而且集傳感技術和傳輸功能于一身的特殊優勢，已成為大橋測量中的有效方式，也因此，近年來人們開始更加重視光纖傳感技術在大橋測量中的運用，并開始研發生產適用于大橋測量的感應器[1]。

1 光纖傳感技術原理

1.1 光纖傳感器

光纖傳感器一般包括三個部分，即光源、光纖和感應器。光源負責向光纖發出光，然后通過光纜傳送到調制區域。在這個區域，燈光開始和被測量的橋梁部位相互作用，從而導致燈光的力度、相位、頻譜、偏振狀態、波段等參數產生相應變化，將普通光轉變成特殊信息，并通過探測器接收和解析產生數字匯報，而光纜則是感應器的重要傳輸材料，既有規范和指引光傳播路線的功能，還可在適當程度上完成光檢測任務，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[2]。以材質標準劃分，傳感器所用的光纜可分成玻璃光纜和塑膠光纖兩種；以折射率準則劃分，則可分成階躍折射率光纜和梯度彌散折射率光纜兩個類別。

光纖傳感器一般包括節點型光纖傳感器、積分型光纖傳感器和分布式光纖傳感器，三者的顯著區別就是其測量范圍和準確度都有所不同。相較于前面的二類傳感器，分布式網絡結構感應器最常用，其基本原理是利用散射回傳的能力表示光纖通道布置的變化參數，并集成了時域反射功能、相干光頻率區域反光和非相干光頻率區域反光等關鍵技術，能在不經過局部開窗、取芯的狀況下快速了解該橋的各項技術參數、變化規律和具體位置。

1.2 光纖傳感技術與傳統技術的差別

傳統的大橋測量與用電檢測技術主要原理是在大橋的部分重要地方裝設電阻應變片進行傳感檢測，并運用電阻應變片與大電流變化之間的變化規律進行檢測，以幫助探測器實現理論分析與結果計算。它以應變一電為基礎，以電信號當作傳遞的主要媒介，并利用電線進行傳遞信息。該種方法具有很多缺點：容易受到當地自然環境的影響，如在空氣相對濕度很大時，會使電流上升，引起短路等；易于引起各類事件，如因為高溫、電路老化等問題引起起火、爆炸等事件。

光纖傳感器的主要傳遞媒體是光信息，傳遞工具則為光纜。比較于傳統感應器，光纖傳感器從材料、分辨率、敏感度上均有了很大提高。光纜主要由絕緣媒介石英玻璃所構成，不但可高效絕緣導線，而且還能耐熱和腐蝕，應對復雜多變的內外環境進行測試，而且，由于光纖傳感器并沒有對橋形成什么結構性危害，因其尺寸較小、材料輕便，能對許多結構復雜的橋梁進行實地測試，并制成形狀滿足測試需要的傳感器陣列[3]。同樣，在抗干擾能力上，光纖傳感器在傳輸介質上也占有著重要優點，影響范圍大，敏感度強和分辨率高。

1.3 光纖傳感器的技術特點

光纖傳感器具有以下技術特點：

（1）高靈敏度，防電磁干擾。因為光纖傳感器測量系統很難接受外界的直接影響，而光信息在傳播中既沒有直接與電磁波產生直接影響，也不受各種電噪聲的直接影響，因此，光纖傳感器在電力的測量領域中得到了應用。

（2）由于光纖有很好的柔性和韌性，使得傳感器能夠按照現場測量要求而制成不同的形式。

（3）監測的波段廣、動態響應范圍大。

（4）可移植性很強，能夠組成各種基本物理量的感應器，包含聲場、電磁、壓強、高溫、加速率、位置、液位、流速、電壓、輻射等。

（5）網絡系統可嵌入性強，易于與電腦和光纜網絡系統連接，便于進行網絡系統的遙測與管理。

2 橋梁檢測內容

2.1 橋梁健康檢測技術的主要內容

橋梁對于水路、陸路等的連接而言有著關鍵的作用。橋梁安全性與可靠性不僅對橋梁本身至關重要，還對人們的生命財產安全有著重要的影響。橋梁的內部如果出現損傷，勢必會造成橋梁的質量下降，并使其不能夠安全地被使用。因此，健康檢測和安全測評是橋梁建造的關鍵環節，對橋梁的安全使用和管理有著重要的指引作用。首先，檢測該橋梁的使用設計載荷壓力，簡而言之就是逐步向檢測的橋梁添加荷載直到設計承載能力。如果在規定的時間段內該橋梁沒有出現任何裂縫、破損、塌陷等質量問題，橋梁應變變形未超出理論值，說明該橋梁處于安全使用狀態。此外，在檢測過程中應重點監測多發問題，如橋梁結構中的鋼筋裸露、孔洞、裂縫問題等。

2.2 橋梁健康檢測技術的檢測評估

橋梁健康檢測技術的評估包括對橋梁內部損傷的檢測，以及對橋梁具體性能的整體、全面的檢測，目前主要是利用光纖傳感技術來實施此項評估，評估過程中要注意以下兩點：①檢測評估橋梁主體構架，對其品質進行測評檢驗，以此測評結果判斷是否需要進行維護修繕；②在橋梁使用過程中評估檢測其性能，以此判斷橋梁的建造是否達標、是否符合使用要求。

3 光纖傳感技術在橋梁測量中的運用

大橋建設是一項世界性的重大工程建設內容，而國外針對大橋的健康運行關注度也相當高。因此，大橋測試中勢必會選用最先進的科學技術手段來進行。比如，在瑞士研制完成的光纜應力變形傳感器，傳感頭就可以在混凝土構件內部松埋設，可任意構件外部行固定。而為了和傳統光電測量技術進行比較，1995 年智能結構有限公司成功將光纖傳感器和傳統應力片、熱電偶等應變傳感器裝配在日內瓦的公路大橋中，但唯有光纖傳感器可以進行從澆筑至通行流程中混凝土穩定的有關試驗。而英國研發的光纖傳感器由于采用了白光干擾基本原理，有較高的準確度和復制性。可以在建筑物內部或材料表層設置或在里面埋設，以連續檢測各種應力、孔隙壓力、裂縫等具體參數。該感應器工作基本原理為在光纜中設定一真腔室，當強光經由傳感光纜射入腔內時，會在真腔室二端依次進行反射、并沿著原道折返[4]。

中國的大橋修建工作正如火如荼地進行，尤其是甘肅西北地區，對光纖傳感技術頗為關注。自2014 年起，甘肅省政府積極對全省所有的橋梁檢測系統引進光纖傳感技術，并期望以此完成信息技術的廣泛革新，保證橋梁建設的效果和質量。光纖傳感器技術體系中引入了波段掃描工作光源，并使用兩種準直結構的法布里一珀羅干涉儀，一種用作基準干擾儀，另一種用作傳感干擾儀。由此完成了大規模的遠距離檢測工作，并放寬了對燈光穩定性、掃描圖像重復性等的要求，使系統在遠距離的長期監控檢測方面，比目前其他測量方法有著更大的優越性。

3.1 檢測橋梁振動

使用光纖傳感技術測量橋梁震動，就可以獲取橋梁工程中整個或部分過程的震動參數，如頻率、振幅等。檢測措施主要是：將通信光纜附著于大橋表面或埋設在大橋內，光纜可由于大橋的震動而產生振動應變，終端所傳輸光的一些具體參數的周期性產生相應改變，而光電檢測器所接收到的光強值也作同樣的周期性改變，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。

3.2 檢測橋梁結構應力、應變情況

橋的內應力也是工程建設中能否順利通過的主要評價參數之一，在橋結構的內應力測量上也需要做到細致入微。在當前，橋內應力測量所用的常規儀器主要是F 一P 光纖感應器和光纖布拉格光柵感應器。前者可用作大橋局部整體施工的結構內部應力監控，而后者則可應用于大橋施工的分布應力和測量上。某高速公路大橋為中國長江地區跨度最高的大橋，每天車流量密度接近四萬輛次。并利用F-P 光纖傳感器對其開展了靜、動態測試，結果表明，光纖傳感器的最大分辨率可達0.13μ，充分符合了大橋靜、動態的監控條件，能非常清楚地表明不同機動車在以同一車速經過大橋時的大橋結構應力和變化趨勢[5]。

3.3 混凝土結構檢測

混凝土是橋梁的筋骨，在經歷長期的腐蝕、使用后會形成裂紋等。按照破裂的程度，混凝土裂縫又可分成貫穿裂縫和深裂縫（0.2～0.3mm）兩類。貫穿裂縫的存在直接損壞大橋的總體穩定性，極大減小了大橋的承受能力。裂紋是造成大橋倒塌事件的重要危險隱患，按破損物理的研究，工程破壞是建筑構件內部損壞累積到一定量嚴重程度時的表現，也就是說裂紋是當大橋內部損壞已經到達一定量危險嚴重程度時釋放的一個信息，對這個信息的及時監測可以提高對大橋的安全防范。

與傳統電力監測技術相比，光纖傳感技術在混凝土監測中有著無可比擬的優勢，它能在橋梁的整體控制上進行分布式監測，從而解決了傳統電力監測在控制上的空間不連續問題，且不發生漏檢、漏報等險情的現象。光纖傳感技術的架設便捷、簡單，既不對安裝部位混凝土質量產生影響，也不影響混凝土的熱特性和力學參數。在測量過程中，其傳遞穩定性能較大程度地傳遞實際的數據，同時還可與光纖傳輸系統集成協作，共同組成遙測自動化控制系統。

3.4 其他檢測

如今，大橋檢測項目很多，除了這些檢查項目以外，光纖傳感技術還可以運用到對大橋的受力結構附件的檢查上，如懸索橋主纜、吊件、系桿、拱橋系桿等的檢查；它可測定土木工程結構的預應力或錨固結構，如錨索、錨桿等。通過這些結構的檢測值、尺寸和分布等變化，可以精確呈現橋梁的狀態，便于監測判斷大橋使用性能。

3.5 對鋼筋腐蝕的監測

鋼筋是混凝土構件的主要骨架，是主承力結構，而鋼筋的銹蝕狀況也直接決定了這個構件的安全狀況。所以，對鋼筋的銹蝕實施長期、實時的監控也是智能橋梁的一項主要特征。目前，人們通過沿光纜局部開窗的光纖腐蝕傳感器對鋼筋銹蝕情況實施了檢測。高頻帶光源所產生的光耦合進入測試光纜后向開窗區射出，假設光纜與被腐蝕金屬（鋼筋）的間距小于10mm，通過將光信號直接照射鋼筋，光對被鋼筋表面的局部區域進行了色彩調制，由反饋來的色彩調制信息可以采用標準分光儀傳感器傳感。輸入光的色彩改變說明銹蝕存在，在一條光纜上可以打開很多窗口，用時分復用系統可以判斷出一條光纜不同口區返回的銹蝕信號。目前，針對混凝土構件中鋼筋銹蝕的光纜和光纖光柵檢測和應用研究仍比較少，且由于光纜和光纖光柵的防護問題，大部分研究成果仍處在實驗室階段，不能實現大面積應用[6]。

4 結語

綜上所述，橋梁工程可以為該地區的社會經濟發展和人們的日常生活工作提供便利。實際橋梁檢測效果與所有工程檢測密切相關。光纖檢測技術非常方便，不會損壞橋梁工程結構。目前廣泛應用于橋梁工程應力檢測、振動檢測和混凝土檢測，促進了各種橋梁工程信息的收集和監測，促進了城市化發展。

光纖傳感器成本低，適用于遠距離檢測和大型橋梁工程也可用于其他大型工程檢測。隨著光纖檢測技術的發展隨著技術的不斷發展，橋梁健康狀態的監測也越來越容易，這為橋梁的健康監測提供了長期而實用的依據它是安全檢測的技術基礎。同時，光纖檢測技術也有所幫助推動橋梁結構的深入研究，使橋梁設計更加合理和優秀光纖檢測技術具有許多優點和廣闊的應用前景。