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1、基于光纤光栅传感技术的桥梁结构应变监测可行性研究2010年第31卷第2期基于光纤光栅传感技术的桥梁结构应变监测可行性研究徐俊(武汉成兴基础工程有限公司,武汉430000)摘要:该文阐述了光纤光栅传感技术的基本原理及其优势,介绍了光纤Bragg光栅传感器(FBG)的布设工艺.利用埋入武黄高速公路某大桥内的FBG和电阻应变片实现了该桥梁在荷载试验过程中的应变监测.并通过比较FBG与电阻应变片测得的应变值来验证光纤Bragg光栅(FBG)传感技术用于桥梁应变监测的可行性.关键词:光纤Bragg光栅(FBG);传感器;应变监测;荷载试验Fe
2、asibilityStudyonStrainMonitoringofBridgeStructureBasedonFiberBraggGratingSensingTechnologyXUjun(WuhanChengXinFoundationEngineeringLimited,Wuhan430000,China)Abstract:Thepaperdescribedthebasicprincipleandtheadvantagesofopticalfiberdiffractiongrating,andintroducedthelayou
3、ttechniquesoffiberbragggratingsensor.InternalstrainmonitoringinonebridgeofWuhuanghighwaywasimple—mentedwiththeembeddedfiberbragggratingsensorsduringtheprocessofloadtest.BycomparingtimstrainvaluedetectedbyFBGwithtlmtofresistancestraingauge,thefeasibilityoffiberbragggrat
4、ingsensingtechnologyapplyingtothestrainmonitoringofbridgewasproved.Keywords:fiberbragggrating:sensor;strainmonitoring;loadtest目前,桥梁结构应力,应变测试所采用的最主要的检测手段是电阻应变片和振弦式应变计,它们虽然在桥梁的应力测试方面发挥着重要的作用,但是不能实现长期实时,在线监测,不能及时发现问题,消除隐患,而且这种检测是独立,分散的,不能对整个桥梁的安全状况做出评价.为解决大型土木工程结构的安全服役问题,
5、众多学者提出建立结构健康监测系统的构想1].国内外研究表明【2
6、3J,FBG传感技术可以克服传统监测技术存在的缺陷,能满足对结构监测的高精度,远距离,分布式和长期性的技术要求,从而可以为桥梁工程结构的健康诊断和安全监测提供更加先进的手段和方法.通过比较FBG传感技木和电阻应变片测得桥梁的应变值,从而分析FBG传感技术用于桥梁应变监测的可行性.1FBG传感技术的工作原理FBG是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅,成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应.宽带光源从FBG一端注入,
7、由于纤芯折射率周期性变化,使光纤中向前和向后传输的电磁波耦合.如果电磁场满足方程式(1),则功率全部耦合到后向传输波中并形成全反射.这时反射光谱在Bragg波长处形成峰值.当外部非电量场,如温度,应变,应力等作用于光栅上时,光栅的折射率周期以以及有效折射率nelf将随之发生变化,进而导致Bragg中心波长变化,由波长探测系统测得Bragg波长的漂移值,根据应变灵敏系数即可以得到应变值,FBG传感原理如图1所示.99建材世界2010年第31卷第2期光纤Bragg~栅彗——ii~—llmllm『]m堕些焦芝-0J卜=_反射信号/输人光
8、谱反射光谱传递光谱图1FBG传感原理FBG是一种波长选择反射器,它所反射的Bragg中心波长的数学表达式为_4].:IB=2nffA(1)式中,B为光纤光栅中心波长产生的位移;neft为纤芯的有效折射率;A为光栅折射率变化周期.其中rtelf和A二者的变化都可导致B的变化.B产生漂移的性质使得FBG能够作为换能元件使用,用于传感多种参数.作用在FBG上的应变和温度引起的总的波长漂移可表示为△B=B(1一P)△e+
9、;IB(a十)△T(2)式中,ZXe为轴向应变变化量;AT为温度的变化量;a为热膨胀系数;为热光系数;P.为光纤有效弹光
10、系数.实际应用中,可以分别测定光纤光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数,根据波长解调系统所测得的Bragg中心波长漂移量,由下式可得到结构应变的变化△B=K△￡十KTAT(3)式中,K为应变灵敏系数;KT为温度灵敏系数;K△￡是应变变化引
