光纤光栅传感器在桥梁的应用

光纤光栅传感器在桥梁的应用

作者：周进
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一、光纤光栅传感器的优势
与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点:
(1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好;
(2) 与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高;
(3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作;
(4) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感;
(5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力;
(6) 高灵敏度、高分辩力。
正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。
二、光纤光栅的传感应用
1、土木及水利工程中的应用
土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。
力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况.。
另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,可以用计算机对传感信号进行远程控制。
在桥梁安全监测中的应用

目前, 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。

斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等是这些桥梁体系的关键受力构件,其他土木工程结构的预应力锚固体系,如结构加固采用的锚索、锚杆也是关键的受力构件。上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况,因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。
加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993 年), 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测, 而这在以前被认为是不可能。德国德累斯顿附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的预应力混凝土桥, 德累斯顿大学的Meis－sner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中, 测量荷载下的基本线性响应, 并且用常规的应变测量仪器作了对比试验, 证实了光纤光栅传感器的应用可行性。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架桥的建造过程中, 使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测, 32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法- 泊系统进行信号解调。

2003年6月，同济大学主持的卢浦大桥健康检测项目中，采用了光纤光栅传感器，用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。
施工情况：
    整个检测项目的实施主要包括传感器布设、数据测量和数据分析三大步。
    在卢浦大桥选定的端面上布设了8个光纤光栅应变传感器和4个光纤光栅温度传感器，其中8个光纤光栅应变传感器串接为1路，4个温度传感器串接为1路，然后通过光纤传输到桥管所，实现大桥的集中管理。
数据测量的周期根据业主的要求来确定，通过在桥面加载的方式，利用光纤光栅传感网络分析仪，完成桥梁的动态应变测试。
三、现状与展望
光纤光栅传感技术之所以如此受到重视并获得极为迅速发展的原因是：微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展，形成了推动获得信息的传感器技术发展的动力；广阔的市场与社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力。
我国对光纤光栅传感器的研究相对晚一些, 目前我国的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面还远不能满足国名经济发展的需求。因此，近期的光纤传感技术研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点，目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面：
1、对传感器本身及进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变化的传感器研究；
2、对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术；
3、对光纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。
4，开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发，如航空航天、航海、土木工程、医学和生物、电力工业、核工业及化学和环境等。
目前限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调, 正在研究的解调方法很多, 但能够实际应用的解调产品并不多, 且价格较高。其次, 光纤光栅传感器应用中的其他问题也非常重要, 如:
(1)由于光源带宽有限, 而应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠, 因此可复用光栅的数目受到限制;
(2)如何实现在复合材料中同时测量多轴向的应变,以再现被测体的多轴向应变形貌;
(3) 如何实现大范围、高精度、快速实时测量;
(4)如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的等。
有效地解决上述问题对于实现廉价、稳定、高分辨率、大测量范围、多光栅复用的传感系统具有重要意义, 这些都有待发展。美国、德国、加拿大、英国等都在致力于新型光纤光栅传感器及解调系统的研究。