光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用

光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用
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: the major engineering structure health monitoring is increasingly extensive attention from all walks of life, the disaster early warning to become the focus of scholars. This paper introduces the structural health monitoring system, optical fiber grating sensor and fiber Bragg grating sensor in the application of practical engineering, fiber grating sensor can solve the problem of traditional sensing device in long term monitoring of durability problem, but also can effectively using real-time monitoring data on the structure of reasonable evaluation.
Key words: structural health monitoring; fiber grating sensor; civil engineering
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(Fiber Bragg grating sensor，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。

2．结构健康监测系统
所谓结构健康监测(Structural Health Monitoring，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。

图1健康监测系统工作流程
Fig 1Flow chart of the structural health monitoring system
3．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，Λ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Λ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。

图1光纤光栅结构图
Fig. 1 The schematic diagram of fiber Bragg grating
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SLED）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选择性作用，反射光再次通过环行器送入到波长测量系统中，从而得知光纤光栅反射波长的变化。

当使用光纤光栅作为探头测量外界的温度、应力或压力改变时，光栅自身的栅距将发生变化，从而会引起反射波长的变化，我们便可以通过监测到的波长变化来推导出外界温度、应力或压力的变化情况[3]。

4.在实际工程中的应用
光纤光栅传感器由于自身的优点在结构健康监测中广泛应用。

1989年，Mendez等人[4]最先提出了采用光纤传感器进行混凝土结构监测。

目前已由美国、日本等几个国家小范围的应用发展成世界各国相继广泛应用此技术，光纤光栅传
感器在结构健康监测中得到了飞速发展。

目前，光纤传感器在土木工程中的应用范围非常广，尤其是复杂的、大型的结构系统中，采用光纤光栅传感器的监测系统监测效果要比其他监测系统好得多。

2002年，Pietro等[4]说明了光纤光栅传感器的监测原理、温度和应变信号的传输分离，分析了采用光纤技术对隧道、岩石变形和地震进行监测。

光纤光栅传感器的灵敏度是非常高的，监测结果的确度也是很高的。

2003年6月，同济大学在卢浦大桥健康检测项目中，采用了光纤光栅传感器检测了大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况，其成果在东海大桥结构健康监测系统设计中也有体现[5]。

在山东东营黄河公路大桥的健康监测中，哈尔滨工业大学课题组分别采用大量的光纤光栅应变传感器和温度传感器进行实时监测，如图3所示，监测了桥梁施工中的各种情况下的温度和应变的情况。

图3 山东滨州黄河大桥光纤光栅传感器布设
武汉理工大学将光纤光栅传感器引入桥梁长期健康监测预警系统中，解决了传统监测手段无法长期稳定监测的问题；江阴长江公路大桥上安装的健康监测系统，主要监测加劲梁的位移、吊索索力、锚跨主缆索股索力以及主缆、加劲梁、吊索的振动加速度等；南京长江大桥上安装的健康监测系统，主要进行温度、风速风向、地震及船舶撞击、墩位沉降，以及恒载几何线形、结构振动、主桁杆件应力、支座位移等方面的监测，根据工程的实际应用效果表明，光纤光栅传感器下的健康监测系统表现的独特优良特性，是传统传感器下健康监测系统所不能比拟的。

5. 结论
对结构的健康监测对结构的实时监测是必不可少的关键一环，光纤光栅传感器由于其突出的优点而成为结构健康监测首选的传感器。

由于光纤传感系统的价格昂贵和它的研究历史较短等原因，光纤传感器在土木工程结构中应用还不多见。

然而，由于它固有的优点，势必将在很多场合取代传统传感器。

参考文献：
[1]李宏男,李东升,赵柏东.光纤健康监测方法在土木工程中的研究与应用进展[J].地震工程与工程振动,2002,22(6):76-83.
[2]周智, 欧进萍. 光纤光栅传感器及其在大型结构工程健康监测领域的应用. 光纤传感器的发展与产业化国际论坛, 2007
[3]Ferraro P, Natale G D. On the possible use of optical fiber Bragg gratings as strain sensors for geodynamical monitoring. Optics and Lasers in Engineering, 2002, 37(2-3): 115-130
[4]Udd E, Kunzler M, Laylor M H, Schulz W, Kreger S, Corones J, McMahon R, Soltesz S, Edgar R. Fiber Grating Systems for Traffic Monitoring. SPIE,2003, 4337: 510-514
[5]周进. 光纤光栅传感器在桥梁监测中的应用. 建筑新时代, 2007,11。