混凝土结构健康状况监测

混凝土结构健康状况监测混凝土结构健康状况监测光纤传感器应用综述应用领域目的使用的光纤传感器军事应用1.火箭、人造卫星、飞机、船舶、机动车辆的惯性制导和导航2.火箭液体燃料监测3.核武器试验、核废料监测和卫星空间辐射监测4.保密系统光纤陀螺仪、加速度计深冷、温度、压力、液面传感器辐射传感器、辐射剂量计声、入侵探测、振动传感器机械加工工业应用1.决定控制位置2.监测和测量3.机器人4.过程控制速度、角速度、位移传感器尺寸、形状、表面粗糙度、探伤、应变触觉（压力）、位移、速度、角速度等温度、流量、压力等传感器能源工业应用地球物理探测陀螺仪、温度、压力等传感器石油化工过程控制监测近海油田温度、压力、流量、液面气体探测、漏油监测天然气探测器、水声、压力、流量传感器电力机器运行状态输变电线路电厂/电压、磁场/电流、温度压力、流量、振动、气体等传感器电压、电流、温度、雷击等煤气生物医学应用诊断设备生理/病理分析血氧测定血流量、pH值、葡萄糖等温度、压力荧光测定，流量传感器基于光纤传感器的混凝土结构健康状况监测技术出现的背景和意义既有结构检测与诊断的需要结构安全性评价的需要

经历了自然灾害（地震、台风、洪水等）人为的爆炸等破坏性行为

之后，对建（构）筑物，尤其是重要结构（如医院，电厂，军事指挥中心，救援指挥中心）的健康评估是很迫切的例：1994年1月17日，美国加州Northridge大地震时，一些建筑物在遭受主震后并未倒塌，但结构已经存在了损伤而未及时发现，在后来的一次较大的余震作用下倒塌了

混凝土技术发展的需要混凝土结构强度高、刚度大、耐久性好的要求，决定了它被广泛应用于现代土木工程中但是，高强混凝土本身存在缺陷：随着强度的提高，混凝土的脆性明显上升配制工艺的不成熟，强度的不稳定目前最常用的回弹法和超声法测试精度不够光纤传感器特点高灵敏度，抗电磁干扰。频带宽、动态范围大。可根据实际需要做成各种形状。可以用很近似的技术基础构成传感不同物理量的传感器（包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等）便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。结构简单、体积小、质量轻、耗能小。国内外研究和应用现状MichiganStreetBridgeWinooski水电站国内外研究和应用现状香港青马大桥应用举例

2003年9月，上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光纤光栅传感应变计埋设于混凝土中对北京中关村金融中心进行静态应变测量。应用举例采用四层一折线的厚板斜形箱体钢柱，南北侧面为弧形扇形面，柱、梁连接为高强连接螺栓连接。整幢建筑设计新颖、独特，具有超时代美感。该建筑地面部分为全钢结构，用钢量达13500吨应用举例技术概述将性能稳定、耐久性好的智能传感元件埋入或粘贴于结构中对最能反映结构安全性态的参数如应变、速度、加速度、旋转、位移、温度等进行监测评价结构的安全性、完整性、适用性与耐久性为结构的维修、报废和预警决策提供可靠的依据基于FBG混凝土健康状况监测FBG结构与传感原理均匀轴向应力下的FBG传感特性分析FBG温度传感特性分析FBG结构与传感原理FBG结构图FBG结构与传感原理观测反射谱或透射谱，确定波长漂移值，便可判断待测量的变化值，此乃FBG用于传感时最基本的工作原理。FBG结构与传感原理

FBG传感器采用波长编码，因此能被FBG感知的物理量一定能够引起其布拉格波长的变化。布拉格公式的数学表达式为

其微分形式可表述为

可见能引起折射率或格栅间距发生微扰的物理量均能引起布拉格反射波长的变化，并被FBG传感元所感知。均匀轴向应力下的FBG传感特性分析

轴向应力作用于FBG光纤介质时，一方面使得FBG被机械性的拉伸而改变光栅常数，同时弹光效应使得FBG折射率发生变化，两者分别为

式中

为轴向应变;和是弹光系数，即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率常数;为泊松比。均匀轴向应力下的FBG传感特性分析

令，其中

是有效弹光系数。

由此，可得

上式为FBG轴向应变下的波长变化数学表达式，它是处理FBG应变传感的基本关系式。可以看出，FBG的材料一旦确定后，FBG对应变的传感特性系数基本上为一与材料系数相关的常数，这就从理论上.保证了FBG作为应变传感器具有很好的线性输出。均匀轴向应力下的FBG传感特性分析

令，可视为轴向应变与中心波长

相关的灵敏度，由此可得

上式为FBG中心波长与轴向应变的数学关系，它可以方便地将波长变化数据处理成应变结果。FBG温度传感特性分析

温度一方面由于热涨效应使得FBG伸长而改变其光栅常数，另一方面热光效应使得光栅区域的折射率发生变化。

FBG温度传感特性分析

一定温度范围内二者均与温度的变化量△T成正比，可分别表示为

其中为光纤材料的热膨胀系数，V为光纤的归一化频率。FBG温度传感特性分析

温度变化引起的FBG波长漂移主要取决于热光效应，它占热漂移量的95%左右，记

称之为热光系数。则温度对FBG波长漂移的总的影响为

上式即为FBG温度变化作用下的波长变化数学表达式，它是处理FBG温度传感的基本关系式。FBG温度传感特性分析

令