光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用

光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监
测中的应用
姓名：朱少波
学号：U201115536
班级：电气中英1101班
2015年1月23日星期五
摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成
为诸多领域的前沿研究与应用方向。

本文主要介绍了相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。

主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。

最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。

关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测
1.引言
重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。

因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。

结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。

然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。

随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。

光纤通信技术和光纤传感技术在20世纪后半叶至21世纪初期的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。

光纤传感技术随着光通信技术的发展应运而生，尤其是光纤光栅的出现不仅给光纤传感技术，而且给相关领域带来了一次里程碑式的革命[1]，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型智能传感器[2]。

与传统的各类传感器相比光纤光栅传感器具有以下优点[3]：
1)抗电磁干扰，电绝缘，本质安全
由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。

这一特性使其在高压、强电磁干扰、易燃、易爆的环境中能有效的传感。

2)耐腐蚀
由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，承受环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于结构的长期健康监测。

3)测量精度高
光纤传感器采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的皮米量级，对应温度监测中0.1℃与应变监测中1με。

光测量及波长调制技术使光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。

4)测量对象广泛
以采用很相近的技术基础构成测量不同物理量的传感器，这些物理量包括压力、温度、加速度、位移等。

5)准分布式测量
可以将多个布拉格光栅焊接在一起，或是在一根光纤上写入多个光栅，再将它们构成传感网络或者阵列。

6)便于复用及成网
够用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布，是传统的机械类、电子类、微电子类等分立型器件无法实现的功能，是传感技术的新发展。

光纤传感器可很方便的与计算机和光纤传输系统相连，有利于与现有光通信网络组成遥测网和光纤传感网络。

纵观目前应用于结构健康监测中的各种传感器，除光纤传感器外，其它传感器多数为电测量传感器，由于电磁干扰问题、寿命问题、分布性能问题以及被测参量单一问题等均不能满足重大工程结构健康监测的需要。

而光纤传感器中虽仍有光强型传感器、干涉型传感器的存在，但这些传感器作为智能材料与结构的“神经元”，特别是重大工程结构健康监测的传感器，具有一定局限性。

光纤光栅传感器克服了传统光纤和电测量传感技术的一些缺点，满足现代工程结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，在智能材料与结构中具有广阔的发展前途。

综上所述，光纤光栅传感器具有材料和传感性能两方面的优势，作为长期结构健康监测中局部监测的首选敏感元件，已经在世界范围内广泛应用于重大工程的结构健康监测中.
2.光纤光栅传感器的发展
光纤光栅是一种新型的光子器件，它可以控制光在光纤中的传播行为。

光纤光栅的研究与发展归功于1978年加拿大的Hill（1978）等人在实验室中制作的世界上第一根光纤光栅，以及1989年美国的Meltz等人发明的紫外侧写入技术。

随后，1993年Hill与Lemaire分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。

这两项技术相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本与容易程度，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究的热潮。

自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感研究以来（Morey，1989），世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的10多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如土木工程、油田、航空航天、复合材料、高压输电线、医学、核电站、消防等领域(Rao,1999;Tennyson et al,2000;Ou&Zhou,2002, 2003,2004,2005)。

目前，国内的清华大学、重庆大学、南开大学、武汉理工大学、北京交通大学、香港理工大学、哈尔滨工业大学等单位对光纤光栅传感器的应用研究非常重视，投入了大量的人力和物力，得到了系列研究成果，并已经在一些重点示范工程上得到了应用。

迄今为止，光纤光栅无论在技术成熟度，还是成本上都已经取得了实质的突破，将其应用到量大面广的土木工程已经成为现实。

很多光电领域的专家学者对光纤光栅的传感特性以及诸多领域的应用作了很多尝试，取得了较好的成果。

但是，目前普遍存在一个问题：光纤光栅传感器的开发者因为缺少应用领越的专门知识，研究开发的“专业”传感器无法胜任实际的工程需要，而应用领域的工程师们缺少光纤光栅传感的专门知识，即使清楚自己的测试需要，仍难以协调与指导传感器的研究开发，从而导致了供给与需求的严重脱节。

哈尔滨工业大学及其相关产业化企业针对重大土木工程结构健康监测对耐久性传感器的迫切需求，发挥多学科交叉的优势，突破传统胶粘剂封装光纤光栅应变传感器和布设工艺耐久性的不足，通过对光纤光栅应变传感器的应变传感物理机理、应变传感的界面传递机理、封装光纤光栅
传感器的蠕变特性等方面进行了较系统研究，提出了基于误差的应变传感器设计的优化方法，并开发出系列高性能的光纤光栅直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品以及相应的结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统，并应用于诸多重大桥梁工程。

3.光纤光栅传感器简介
3.1光纤光栅传感器的结构及工作原理
光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的，其折射率变化通常在１０－５～１０－３之间，通过紫外光曝光的方法将入射光的相干场图形写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。

光纤芯中的折射率调制周期Λ由下式给出：Λ＝λｕｖ／２ｓｉｎ（θ／２），式中λｕｖ是紫外光源波长，θ是２相干光束之间的夹角[4]。

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的[5]。

光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。

而在纤芯内形成的空间相位光栅，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

利用光纤材料的光敏性，通过紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，在光栅处有选择地反射回一个窄带光，其余宽带光继续透射过去，在下一个具有不同中心波长的光纤光栅处反射。

当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变等物理量发生变化时，光栅周期或纤芯折射率随之发生变化，使反射光波长发生变化，通过测量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。

3.2光纤光栅传感器的应用特点
光纤光栅传感器作为一种新型光纤传感器，对大多数物理量直接感应，可同时感应温度和应变，还可以进行多个物理量的同时测量，其应用领域非常广泛。

同时ＦＢＧ传感器阵列可以实现分布式的传感网络，对物体进行多点测量，提取相关的信号，进行状态分析，达到示警以及故障诊断的目的。

其主要技术应用优势包括：
（１）可靠性好、测量精度高，单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量，其测量点多，测量范围大；
（２）抗电磁干扰能力强；
（３）光纤光栅是无源传感器，不受电磁场的影响，也不发热，特别适于电磁场强烈的环境；
（４）光纤光栅的材料是非金属材料，耐腐蚀能力强；
（５）光纤光栅传感器调制的是波长信号，不存在多值函数问题，与光源、传输和连接件的损耗等强度信息没有关系，因而对环境干扰不敏感[6]；
（６）光纤光栅可以单端输入和单端检测，减少了埋入光纤与探测元件的数量，特别适于物理量（如应变和温度场等）的测量。

尽管光纤光栅传感器具有上述许多优点，但是在实际应用中还是存在一些问题。

目前，限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调即光纤光栅传感器分析仪，正在研究的解调方法很多，但能够实际应用的解调产品并不多，而且价格较高，如果用于多点监测的分布式传感器网络系统中成本将更高。

光纤光栅传感器应用中的问题如下：（１）由于光源带宽有限，而应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠，因此，可复用光栅的数目受到限制；
（２）如何实现在复合材料中同时测量多轴向的应变，以再现被测体的多轴向应变形貌；
（３）如何实现大范围、高精度、快速实时测量；
（４）当温度和应变同时发生变化时，传感器本身无法分辨出两者分别引起的反射中心波长的变化；如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的，也即是如何消除或区分应变及温度交叉敏感问题；
（５）光纤光栅传感器制作材料比较脆弱，所以它在使用过程中容易损坏；需要对其进行封装处理，研究开发出耐久性好的材料对其进行封装很有必要，以延长传感器的使用寿命；
（６）目前，普通的光纤光栅传感器的检测精度较传统的应变电类检测传感器相对要低些，研制开发出检测精度更高的适合桥梁的专用光纤光栅传感器势在必行，也是其广泛应用于未来桥梁结构健康监测系统的前提。

有效地解决上述问题对于实现廉价、稳定、高分辨率、大测量范围、多光栅复用的传感系统具有重要意义。

3.3光纤光栅传感器在国内外实际工程中的应用
随着高智能传感材料和传感器解调技术的发展，光纤光栅传感器系统的成本将降低，而光纤光栅传感器由于其具有很多的技术优势，因而是土木工程领域研究的热点。

目前在国内外都有光纤光栅传感器应用工程的成功案例，并且证实监测结果比较理想。

目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。

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(1)国内应用案例
南京长江第三大桥施工监测南京三桥深水基础施工监测项目中共布设了３９７个光纤光栅应变和温度传感器，是目前国际上施工控制中布设光纤光栅应变和温度传感器最多的桥梁。

该监测项目将光纤光栅温度传感器应用于南京三桥承台大体积混凝土温度场监测中取得了良好的控制效果，带来了显著的社会和经济效益，具有重要的推广应用价值。

（２）哈尔滨四方台松花江大桥该监测项目在桥上共布设了６０只光纤光栅传感器。

历经近３年的考验，光纤光栅应变和温度传感器的成活率达到９０％以上。

在大桥成桥试验和运营阶段，该监测系统较好地监测了结构的局部应变，为成桥质量评价和运营阶段的安全评价提供了可靠的数据。

(2)国外应用案例
加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993年),共安装了16个光纤光栅传感器对桥梁结构进行长期监测。

德累斯顿大学的Meissner等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中,测量荷载下的线性响应,并用常规的应变测量仪器作了对比试验,证实了光纤光栅传感器的应用可行性
4.应用光纤光栅传感器的桥梁结构健康监测系统
4.1桥梁结构健康监测的概念及其组成
结构健康监测的定义[7]：利用现场的无损传感与结构系统特性分析（包括结构反应），探测结构的性态变化，揭示结构损伤与结构性能劣化。

其实，结构监测并不是一个新的概念，对结构的应变、加速度、速度、位移等参数的测量一直是结构工程的基本方法。

由于土木工程结构的特殊性，如结构型式多样、服役周期长、影响结构性能的因素复杂多变等，对其进行健康监测也要复杂得多。

理想的健康监测系统应能在结构损伤出现的较早时期发现损伤，在传感器允许的情况下，结合损伤识别技术确定损伤的位置，评估损伤程度，预测剩余的有效寿命。

要实现桥梁结构的健康监测，必须要有完整的桥梁状态信息、科学的安全分析评估手段，这就要求桥梁具有感觉神经与思维判断能力，前者就是能获取桥梁状态的信息采集硬件系统，后者则是数据分析评估的软件系统，
图1是一个典型的桥梁结构健康监测系统[8]。

图1桥梁结构健康监测系统
(1)智能传感元件
需要对桥梁进行监测的主要为风、浪、冰、车辆荷载等的环境量；应力、变形、裂纹、疲劳损伤、反力等的局部量；动力特性和状态反应等的整体量。

根据监测量的需要，开发满足稳定性与耐久性、可埋设或附着、大规模分布式的传感元件是这一部分的核心内容。

(2)数据采集与智能处理
数据采集的主要内容是各种智能传感元件的信号转换接口和采集软件的开
发。

信号处理的核心内容是提取结构损伤特征信息，充分利用现代信号处理方
法，如高阶谱分析、时频分析、小波分析、神经网络等方法，对传感器传输来
的信息进行智能处理，通过数据融合理论表征结构特征损伤信息，便于对桥梁
结构进行安全与损伤评估。

(3)健康诊断与安全评估
健康诊断与安全评估主要包括损伤识别、定位与模型修正和安全评估系统
与预警系统。

桥梁健康监测系统是一个以桥梁结构为平台,应用现代传感、通信和网络技术,优化组合结构监测、环境监测、交通监测、设备监测、综合报警、信息网络分析处理和桥梁养护管理各功能子系统为一体的综合监测系统,它实时监测桥梁在各种环境、荷载等因素作用下的结构响应,并能有效地提供桥梁养护管理的科学依据,显著提高桥梁的整体管理水平,从而能够最大限度地确保桥梁安全运营、预诊断桥梁病害和延长桥梁使用寿命。

梁结构健康监测系统主要由光纤光栅传感器网络与集成系统、数据处理与存储子系统、结构安全评定子系统、有线/无线远距离传输子系统和远程监测与数据管理子系统组成。

5.结论
桥梁结构健康监测系统中,传统的监测方法一般采用在桥梁表面安装应变片的方式;应变片的技术已相当成熟,但暴露出很多不足的地方,例如:布线繁杂,不易组网,易受电磁干扰等;目前国内外大量桥梁监测实例表明,光纤光栅传感器由于测试精度高,耐久性和重复性好,抗电磁干扰能力强,耐腐蚀性能高,已经成为桥梁结构健康监测的重要测试手段。

它把原本没有生命的桥梁被赋予自感知与自诊断能力,对于桥梁的施工和监测具有重大意义。

随着智能传感技术的不断成熟,光纤光栅传感器解调技术的进步,桥梁缺陷检测和结构健康监测系统的成本将大大降低,其应用前景也将更加广阔。

6.文献：
[1]Federal Highway Administration U.S Department of Transportation．Guide for The Structure Inventory and Appraisal of the Nation’s Bridge．1971：1-18．
[2]Natke，H.G，Tomlinson，Yao，J.T.P．Safety Evaluation of Structures Using System Identification Approaches Structural Safety&Reliability,Schueller,Shinozuka&Yao(eds)，Balkema,Rotterdam，1990：829-833．
[3]Doebling,S.W.，et al．Damage Identification and Health Monitoring of Structural and Mechanical Systems from Changes in Their Vibration Characteristics:A Literature Review，Los Alamos National Laboratory Report
LA-13070-VAS,1996
[4]王建平．光纤光栅传感器在土木工程结构健康监测中的应用．贵州工业大学学报（自然科学版），2004
[5]乌建中，张学俊．基于光纤光栅技术的大型钢结构安装监测系统．中国工程机械学报，2006
[6]周智，田石柱，赵雪峰，武湛君，欧进萍．光纤布拉格光栅应变与温度传感特性及其实验分析．功能材料，
[7]欧进萍，关新春．土木工程智能结构体系的研究与发展．地震工程与工程振动，1999，19(2)：21-28．
[8]刘来君，赵小星．桥梁加固设计施工技术．北京：人民交通出版社，2004：1-10．。