光纤光栅传感器在结构健康监测中应用

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1、光纤光栅传感器在结构健康监测中应用摘要：对重大工程结构的健康监测越来越受到社会各界的广泛重视，对灾害的提前预警成为当前各国学者们研究的热点。本文通过介绍结构健康监测系统、光纤光栅传感器原理和光纤光栅传感器在实际工程中的应用，光纤光栅传感器可以解决传统的传感设备在长期监测中耐久性的问题，而且还可以有效地利用实时监测数据对结构进行合理的评定。关键词：结构健康监测；光纤光栅传感器；土木工程Abstract：themajorengineeringstructurehealthmonitoringisincreasinglyextensiveattentionfromallwalksoflife,

2、thedisasterearlywarningtobecomethefocusofscholars.Thispaperintroducesthestructuralhealthmonitoringsystem,opticalfibergratingsensorandfiberBragggratingsensorintheapplicationofpracticalengineering,fibergratingsensorcansolvetheproblemoftraditionalsensingdeviceinlongtermmonitoringofdurabilityproblem,

3、butalsocaneffectivelyusingreal-timemonitoringdataonthestructureofreasonableevaluation.Keywords：structuralhealthmonitoring；fibergratingsensor；civilengineering中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：2095-2104(2012)1.引言随着我国经济不断发展，各种大型工程结构如：跨江跨海超大桥梁、超大跨空间结构、超高层建筑、核电站建筑、大型水利水电工程、大型海洋石油平台以及输油、供气、供水管网系统等不断兴建。大型工程结构的设计使用年限

4、长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应等作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累与抗力衰减；此外地震、洪水、飓风、海浪等自然灾害的作用也对结构造成了一定程度的损伤。许多结构在事故发生之前就已经出现了裂缝、挠度过大、应力增加、渗流、坍塌等病变征兆，但是由于缺乏可靠的实时预警和控制系统，不能采取一定的措施避免事故地发生或者减少事故发生后的损失，从而导致事故发生后除了造成经济损失外还造成大量人员伤亡。因此，对灾害的提前预警已成为当前各国学者们研究的热点［1］。传感器的选取是进行结构健康监测的重要环节，光栅光纤传感器(FiberBragggratingsensor,

5、简称FBG)由于其体积小，灵敏度高，耐腐蚀，抗电磁干扰，分布或者准分布式测量，可实现远距离的监测与传输等优点利用光纤光栅传感器对结构进行健康监测，是结构健康监测领域发展的重要方向之一。1.结构健康监测系统所谓结构健康监测(StructuralHealthMonitoring,简称SHM)，是指利用现场的无损传感技术，分析通过包括结构响应在内的结构系统特性，从而达到检测结构损伤或退化的目的。结构健康监测实现了最小人工干预的结构健康在线实时连续监测、检查与损伤探测，从而实现对工程结构的安全监控。健康监测系统工作流程如图1所示。1健康监测系统工作流程FiglFlowchartofthestru

6、cturalhealthmonitoringsystem2.光纤光栅传感器原理光纤光栅传感器是利用光纤的紫外敏感特性，在光纤的一段范围内沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化而形成的芯内体光栅(FBG)。当光纤光栅产生轴向应变时，将改变光纤光栅传感器的工作波长，即光纤光栅的反射波长将发生变化。因此，通过测量埋入结构中或者粘贴在结构表面的光纤光栅的反射光波长的变化即可得知该点结构的应变变化。根据耦合模理论，被光纤光栅反射回去的中心波长(其中为光纤光栅的中心波长，A为光栅周期，n为纤芯有效折射率）。从公式中可以看出光纤光栅周期A和纤芯有效折射率n对反射波长有影响，因此任何能够引起这两个值变化的

7、参数（如温度、应力等）都会导致反射光的中心波长发生变化，也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测参数的变化情况［2］，光纤光栅结构如图1所示。1光纤光栅结构图Fig.1TheschematicdiagramoffiberBragggrating如图2所示，光纤光栅传感器的传感原理是：将有一定带宽的光波利用宽谱光源（如ASE或SLE：D）通过环行器射入到光纤光栅之中，符合条件的光波之所以会被反射回来，是因为光纤光栅的波长具有