光纤光栅技术在桥梁测试中的应用研究

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1、光纤光栅技术在桥梁测试中的应用研究钟继卫，汪正兴，李星新（中铁大桥局集团武汉桥科院有限公司，湖北武汉430034）摘要：研究光纤光栅技术在桥梁测试中的应用。概述光纤光栅传感器的基本原理、特点以及国内外研究应用情况；研究光纤光栅技术在拉索索力长期监测中的应用，开发了长期稳定性好、不受电磁场干扰、可实现分布式测量以及适宜远距离传输的光纤光栅测力环，并将成果应用于郑西客运专线提篮拱桥拉索索力长期监测；研究光纤光栅技术在大跨度桥梁动应力测试中的应用，选用灵敏度高、动态性能好的夹持式光纤光栅应变传感器，用于武汉天兴洲长江大桥通车鉴定试验动应力测试中；探讨光纤光栅

2、传感器在桥梁应用过程中存在的问题并展望其应用前景。关键词：光纤光栅，桥梁测试，索力监测，动应力1引言近年来交通建设事业蓬勃发展，一些大跨度桥梁相继建成或即将新建，人们对这些大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注和重视，桥梁监测技术逐步运用到这些大型桥梁中，并得到了迅速发展，而应力应变监测是桥梁监测中的重要内容。传统上，桥梁结构应力应变测量所采用的技术模式基本都是通过敏感元件（如电阻应变片、基于钢弦的振弦式应变计）将被测量转换成电学量，再通过专用的电学量测量仪器（如数据采集器）记录数据（测量结果）。这种模式的测量系统优点是有较高的灵敏度，且硬

3、件成本相对较低。但这种由电学量测量原理构成的测量系统，存在零点漂移不易消除，模拟信号易受电磁环境干扰，硬件系统比较脆弱等问题。尤其是在桥梁运营安全监测领域，在对长期监测资料分析处理时，难以区分损伤前后结构异常和环境干扰。因此寻找新的应力应变测量方法就显得更有意义。光纤光栅传感器是20世纪90年代以来国际上新兴的一种在光纤通讯、光纤传感及光信息处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件,它是在1989年Morey[2]首次报道将光纤光栅用作传感的基础上发展起来的,目前已成为工程结构状态监测研究的热点[3]。光纤光栅传感技术由于具有很多传统检测技术所不具备的

4、优点而被认为是未来桥梁结构运营安全监测首选的传感形式，如果能够将光纤光栅技术经过系列研究引入到桥梁长期监测系统,并在主要技术指标上达到监测技术要求,将使桥梁长期观测数据质量产生质的飞跃。基于此，本文将对该技术在桥梁测试中的应用展开一些研究与探索。[1]2光纤光栅传感机理由光纤光栅传感器构成的测量系统的测量原理是利用光纤光栅传感器对应力应变的敏感作用，将被测应力应变物理量直接变成光学量进行测量,或者说变应力应变测量为光波波长的测量,由此带来一系列的优点，如：全光测量，在监测现场无电气设备,不受电磁及核辐射干扰；无零点漂移问题,长期稳定；以反射光的中心波长

5、表征被测物理1量,不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；系统安装及长期使用过程中无需定标；使用寿命长等。这些优点可以解决电学量应力应变系统存在的固有问题。光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导,通常是圆柱形。它把以光出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内,并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的基本结构是两层圆柱状媒质,内层为纤芯,外层为包层；纤芯的折射率比包层的折射率n1n2稍大,当满足一定的入射条件时,光波就能沿着纤芯向前传播。光纤-光波传播媒质入射光波透射光波反射光波图1FBG传感原理光纤光栅传感的原理如图

6、1所示：当带宽光源照射光纤光栅时，满足布拉格条件的光将发生反射，即：?B?2neff?（1）式中，?B为光纤光栅的中心反射波长，neff为纤芯的有效折射率，?为光栅的周期。从这个方程可以看出任何能够改变光栅有效折射率或光栅周期的物理量都能改变光栅中心波长。应变（或应力）和温度是最能直接显著改变Bragg光栅波长的物理量。其引起的光纤光栅Bragg波长的漂移可表示为：??B?B?(1?pe)??(???)?T（2）式中：?为光纤布拉格光栅轴向应变，?T为温度变化量，pe为有效弹光系数，?、?分别光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数。1992年Rutger

7、大学的Prohaska等人首次将光纤布拉格光栅传感器埋入到混凝土结构中测量应变，将最初应用于航空、航天领域的光纤光栅传技术引入到土木工程中[4],这之后相关实验的研究很快就拓展到实际的大型工程结构。1993年，加拿大科学家首次将光纤布拉格光栅传感器应用于桥梁结构，Toronto大学的学者们把光纤光栅埋入了分别由复合材料、钢筋加强的大梁内测量内部应变，并利用光栅测得的数据比较新材料2（碳纤维复合材料）同传统材料（钢材）的工作性能[5]。1999年夏，在美国新墨西哥LasCruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，创造了

8、当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的记录；这座桥梁于1976年建成，已经出现了许多疲劳裂纹