光纤光栅传感器在土木工程健康监测中应用探究

《光纤光栅传感器在土木工程健康监测中应用探究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、光纤光栅传感器在土木工程健康监测中应用探究摘要：本文阐述了土木工程结构进行健康监测的必要性，介绍了应用于土木工程中的光纤传感器，并对光纤光栅传感器的研究应用、发展现状、存在的问题及应用前景作了总结和分析。关键词：光纤光栅传感器；健康监测；土木工程中图分类号：TN818文献标识码：A文章编号：1、前言7大型土木工程结构和基础设施，如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台以及输油、供水、供气等管网系统，它们的使用年限都长达几十年，甚至上百年。在其服役过程中，由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构不可避免地产生损伤累积、抗力减小，甚

2、至因此而导致像重庆虹桥坍塌等灾难性突发事故的发生[1]。如不能对结构健康可靠度及时进行评价，采取相应措施。一旦事故发生，将造成生命财产的重大损失。近年来，实时在线的结构健康监测受到人们广泛的重视，在土木工程中健康监测是指利用现场的、无损伤的监测方式获得结构内部信息，分析包括结构反应在内的各种特征，以便了解结构因损伤或者退化而造成的改变。人们关心的问题是，结构损伤到什么程度才能危及其安全性能。因此，健康监测的一个目标就是在这个临界点到来之前提早检测出结构的损伤，这是个实时在线监测过程。但是由于土木工程的大体积、施工工艺相对粗糙等特点与传统传感器及无损检测方法性能之间的矛盾使得这方面

3、的发展也受到了限制[2]。因此，对结构性能进行监测和诊断，及时地发现结构的损伤，对可能出现的灾害进行预测，评估其安全性，趋利避害已经成为未来工程的必然要求，也是土木工程学科发展的一个重要领域。2、新型光纤传感器新型的智能传感器包括光纤传感器、压电材料、电磁致伸缩材料制成的传感器等。其中光纤传感器由于体积小、重量轻、结构简单、无电磁干扰、灵敏度与精度高、频带宽、单位长度上信号衰减小等众多优点，日益受到各行业的关注[3]。光纤传感器按照是否对所测量的信号进行调制可分为：非本征型和本征型。非本征光纤传感器不与结构一起变形，只起信号传输作用，由另外的装置对载波光进行强度调制获取信号。本征

4、型光纤传感器不仅传输信号，也起传感作用，即通过光纤自身的光弹效应、双折射效应、磁光法拉第效应等把待测量信号调制为光的强度、相位、频率、偏振态或者波长的变化。通常所说的光纤传感器均是指后者。7常见的光纤传感器有很多种。光纤布拉格光栅传感器(FBG)的检测量为波长变化，不受光强的影响，对环境干扰不敏感；输出线性范围宽，在±10000με内波长移动与应变有着良好的线性关系；测量动态范围只受光源谱宽限制；光栅长度只有几毫米，测量的分辨率高；易于实现波分多路复用，可实现多参数测量等众多优点，因而在实际中应用最多。通常用于测量应变、位移和温度。Fabry2Parot光纤传感器也有部分应用，如

5、EFPI(ExtrinsicFabry2PerotInterferometers)光纤传感器用于测量应变，ESPI（电子斑点模式干涉仪）和数字剪切干涉仪都是使用于无损检测的光学干涉技术。另外还有一些检测特殊量的光纤传感器，如光纤pH传感器用于检测混凝土由于各种化学变化、硫酸盐的侵蚀、各种酸和基础的作用、酸化过程、钢筋腐蚀等造成的退化过程。此法可用于早期测量结构的特定区域受环境的影响加速老化的迹象。由于光纤布拉格光栅传感器(FBG)应用较广，本文对其做主要研究。3、光纤布拉格光栅传感器（FiberBraggGrating—FBG）光纤布拉格光栅是一种波长选择器，光栅的布拉格波长由下

6、式决定7(1)式中，为Bragg波长；为纤芯的有效折射率；为光栅间隔或调制周期。由应变和温度波动引起的Bragg波长漂移可表示为(2)式中，为轴向应变；为温差；和分别为光纤的热膨胀系数和热光系数；为有效弹光系数[4]。图1埋入式光纤光栅应变传感器图1为封装好的FBG传感器，用于测量混凝土的应变。由于光纤Bragg光栅传感器技术成熟，具有众多优点，是工程界和科研界的研究热点，获得了很多实际应用。北京交通大学张家坤等分析研究了光纤光栅传感与测试技术在加固后重载吊车梁监测中的应用，测试结果表明：光纤光栅传感器测试技术的测试数据稳定、可靠，与有限元计算结果吻合较好，是进行结构安全健康监测

7、的有效手段。香港理工大学的Chan等人，利用布拉格光栅测量了一个被复合材料包裹的矩形截面混凝土梁的应变，实验中FBG显示出了对内部应变监测的优越性。重庆大学发展了一种新颖的多模光纤模域光纤振动传感系统，并构建了一种机敏桥面铺装结构，并和重庆公路科学研究所一起，将这种系统应用于虎门大桥桥面铺装结构的模型实验中7。哈尔滨工程大学的章立滨等人将光纤传感器胶合在桥梁模型的钢索上，对桥梁在受载情况下钢索的应变变化进行了实验研究。哈尔滨工业大学成功地将15个裸光纤光栅布设到呼兰河大桥42米跨