光纤光栅传感技术在桥梁健康监测中的应用研究

光纤光栅传感技术在桥梁健康监测中的应用,1.光纤传感器原理,光纤传感器是一种以光纤为媒介，用来检测光在光纤中传播时，因光纤的全部或部分环节所在环境（物理量、化学量等）的变化带来的光传输特性改变的装置。它包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知即把外界物理量的变化规律转化为光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等的变化；所谓传输，是指光纤把受外界信号调制的光波传输到光探测器中进行检测，并将外界信号从光波中提取出来。图1是光纤传感器的基本原理。,外界因素：温度应变、压力、加速度、电场等,光源,入射光的特征参量:振幅、 波长、相位、偏振态等,光信号解调系统,监测信息：温度、压力、应变、加速度电场等,调制,光纤,未调制信号,光纤,调制后的信号,图1 光纤传感原理图,2.光纤光栅传感技术,1993年Hin提出利用相位模版制作光纤光栅，使得光纤光栅的大规模生产成为一可能，从而加速了光纤光栅在光纤传感和光纤通信中的应用研究，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。 光纤光栅传感器是利用反射(或透射)谱的波长变化来实现测试量的确定，其反射(透射)谱的波长与光栅的周期及纤芯的有效折射率有关。应变和温度是最能直接显著改变布拉格光栅波长的物理量。,光纤布拉格光栅(FBG)传感器是目前应用研究最多的光纤光栅传感器，整个光纤光栅长度内，周期和折射率是均匀的。布拉格谐振反射波长:,式中: 为光纤光栅中心波长， 为光纤光栅的周期， 为有效折射率。外界待测量如应变或温度的扰动会引起光纤光栅的折射率和光纤光栅周期的变化，进而使光纤光栅的布拉格反射波长漂移，通过测取波长的漂移量即可获知待测量的变化信息。,入射光,反射光,纤芯,包层,透射光,图2 光纤布拉格光栅结构示意图,3.光纤光栅传感技术应用现状,自从将光纤光栅作为传感元件以来，由于光纤光栅所具有的独特优点，它在工程结构健康监测中的应用时光纤光栅传感器应用最活跃的领域，光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇注时埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构的形成与发展。 目前，应用光纤光栅传感器最多的土木工程领域当数桥梁的健康监测。1993年Raymond M.Messures等人首先开始了光纤光栅传感器在桥梁的实际监测应用。他们在加拿大卡尔加里市建造的Beddington Trail大桥采用了三种预应力筋：传统钢筋，碳纤维复合拉素，碳纤维拉杆。为了完成三种预应力筋的性能对比分析，在这些预应力筋上布置了光纤光栅传感器，实现了结构应力状态的长期监测。1996年，Davis.M.A.在美国新墨西哥州立大学的桥梁模型上安装了60个光纤光栅传感器，成功地记录了混凝土养生阶段应变的变化过程，并且对桥梁的动态响应进行了测量，从而监视动态载荷引起的结构退化和损伤。在我国，已有中国科学院上海光学精密机械研究所、武汉理工大学、重庆大学、清华大学、天津大学、南开大学等多所高校研究所开展了研究工作。同济大学研究小组2005年在东海大桥主航道桥的两个关键节段上安装了34个光纤光栅传感器，监测了跨中节段的整个施工过程，通过动态监测，可以实时监测结构的交通状况，还总结了光纤光栅传感器用于桥梁长短期监测的一些问题。,4.光纤光栅传感器传感监测系统,基于光纤光栅传感技术的桥梁健康监测系统是指根据桥梁结构监测内容的需要，结合光纤光栅传感的特点，按一定的复用方式将各类型光纤光栅传感器安装、防护处理后进行连接，不同位置、不同类型的光纤光栅传感器信号经传输光缆集成到控制终端，并按监测需求对数据进行初步预处理的系统。图3为局部监测集成示意图。,温度传感器,应变传感器,温度传感器,压力传感器,加速度传感器,应变传感器,加速度传感器,锚索力传感器,计算机或网络设备,光传感网络分析仪,光,缆,监控室/现场数据采集,图3 光纤光栅传感器监测系统局部网络集成示意图,监测现场,5.光纤光栅传感器实桥性能试验,以东海大桥主航道桥为工程背景，进行了光纤光栅传感器在实桥监测中的性能试验和应用研究大桥起于上海南汇芦潮港客运码头东北侧，向南越杭州湾海面，至小洋山港区一期交接点，全长约32km。东海大桥桥区地形地貌复杂，桥区位于北亚热带南缘，气候多变;风速较高;环境温度及湿度较高;雷暴多;海水腐蚀性强。主塔为倒Y型钢筋混凝土结构，塔高150米，主跨420米，主梁采用钢混叠合梁，节段拼装，锚栓连接。斜拉索采用平行钢丝索。本系统根据结构受力和施工清况，选择了主航道桥的跨中箱梁节段和塔梁结合处箱梁节段，进行安装监测，断面位置和传感器布置情况如图3.10。具体过程见图3.11一3.23。,混凝土表面式应变传感器,钢结构表面式应变传感器,表面式温度传感器,埋入式温度传感器,图4 光纤光栅传感器系统布置,C,通过在桥上进行无障碍行车试验，采用采样频率为120HZ，波长分辨率为1pm的波长解调仪器进行数据采集。图18是四辆试验车辆载荷（55吨*4）通过跨中截面时C处的应变时程。可以根据应变峰值高低判断车辆载荷的载重；还可以得出当时试验车的运行情况，前两车相继通过后，剩余两车同时通过跨中截面；同时还可以从图中得到它们通过时的时间间隔分别为10.7秒和18.2秒。 系统通过定期检测和实时监测，就可以全面了解桥梁的健康情况和运营状况。结果表明：FBG传感技术可以用于结构的短、长期健康监测；根据应变时程应变峰的高低可以初步判断车辆载荷的载重大小等。,图18 跨中截面C出应变时程,6. 一种新的光纤光栅应变传感器的增减敏方法,对于光纤光栅应变传感器的增减敏问题，特别是光纤光栅的应变增敏技术，国内外已有较多的研究，而且取得了较大进展。但是目前已有的增敏技术结构较为复杂，增减敏方式单一，实际增敏系数与理论值相差比较大，难以实现工程应用。 对此，提出了一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法。该方法不仅有效的保护了裸光纤光栅，而且可以改变光纤光栅的应变灵敏度，其增减敏系数可以根据封装材料的尺寸定制，满足实际工程的测量需求。基于这种封装方法的光纤光栅应变传感器，为大型工程结构的表面及内部应变测量提供了大应变量程和高测量精度的监测手段。,传感器封装工艺及工作原理：,传感器由光纤光栅、两个封装部件、两个夹持部件以及两个固定支点组成。其中封装部件与夹持部件均为钢管。采用胶接的方法将光纤光栅两端固定于两个封装部件内，由于胶粘剂没有直接封装光纤光栅区域，消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响;然后将两个封装部件分别置于两个夹持部件内，并使用胶粘剂粘接封装部件和夹持部件；最后使用铆固、焊接或胶接的方式将夹持部件与固定支点连接。,光纤,固定支点,L,Ls,Lf,夹持部件,光纤光栅,封装部件,图19 增敏型光纤光栅应变传感器结构图,光纤,固定支点,L,Ls,Lf,光纤光栅,封装部件,图20 减敏型光纤光栅应变传感器结构图,封装部件材料为钢管；设两个固定支点的距离为L，两个封装部件之间的光纤的长度为Lf，两个封装部件的长度为Ls。假设两固定支点间发生 的轴向变形，相应封装部件和光纤光栅的变形分别为 和 。忽略钢管内胶层和光纤之间的应变损耗影响，由材料力学基本原理可得,其中，Es和Ef分别为钢和光纤的弹性模量；As和Af分别为封装钢管和光纤的截面积；P为传感器结构的内力。结构内部内力处处相等，由此可得,既,钢的弹性模量约为光纤的3倍，当封装钢管的截面积As远大于光纤的界面接Af时，相对于光纤，封装钢管的应变量可以忽略。此时，传感器