光纤

桥梁检测中光纤传感技术的应用
摘要：本文论述了光纤传感技术在国内外桥梁检测中的研究与应用；并以应变检测为例介绍光纤传感技术在检测桥梁中的检测原理、方法与最新研究成果，文章最后指出桥梁检测中光纤传感技术的发展方向。

关键词：光纤传感、桥梁、检测
一、引言桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分。

因此，桥梁的安全可靠性成为关系国计民生的一件大事。

长期以来，人们对桥梁的安全检测一直以电检测方法为主，由于电磁干扰及潮湿侵蚀使得这种方法不能实现长期置放，检测时需临时置放大量的传感器，这样不仅需要大量的人力和物力，而且需要经过专门训练的工程师，同时由于所测结果是瞬时的，不能准确、准时的预报桥梁工作状态，所以，所得结果仍然不能满足现有的安全需要。

从70年代中期至今，光纤传感技术经过20多年时间的飞速发展已经有了长足的进步。

它的触角已涉及到国防军事、航天航空、工矿企业、能源环保、生物医药、计量测试和家用电器等各种领域[2~3]。

光纤传感器由于体积小（直径仅为
125mm，作为光纤传感器的长度可短至几厘米）、重量轻、不导电、反应快、抗腐蚀、不受电磁、射频及雷电流等干扰影响，以及集传感与传输于一体的独特优点，成为桥梁检测中的有效方法，把光纤传感器埋入到桥梁中，测量桥梁内部的应力、应变以及结构损伤，已成为桥梁检测中的有效的检测技术。

近年来，国内外的研究机构投入了大量的人力物力研究光纤传感技术在桥梁检测中的应用，并取得了一定的成果。

二、光纤检测技术的原理
（1）桥梁检测方法概述
传统的桥梁检测方法为电检测方法，这是一种在桥梁的某个部位上外粘电阻应变片来测量应变的方法。

它所依据的原理是将应变片组成桥式结构来感应被测体应变的变化，并转换成需要的电量，以利用应变变化De与应变片的电阻变化DR之间的关系DR=aDe（a为应变率）进行检测。

如我国使用较为广泛的鞍山电测技术研究所研制的便携式动态应变仪DY-3和便携式超级应变仪YD-88都此种产品。

这种测量方法是以应变-电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是在高温和易燃、易爆环境中容易引起事故等。

（2）利用光纤进行桥梁检测的技术原理
光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接可测量的信号的技术。

由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振福、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接或
直接的发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。

这就是光纤传感器的基本原理[4]。

如图1所示。

图1 光纤传感原理示意图
光纤传感器可从光纤的作用、信号调制方式及被测对象等不同角度分类。

从光纤作用角度可分为非功能型传感器和功能型传感器[5~7]。

非功能型传感器中光纤仅起到传光的作用；而功能型传感器中光纤既起到传光的作用又起到传感的作用。

目前开发的高精度、高分辨率及结构小型化的传感器多以功能型传感器为主。

若从光信号调制方式角度分类，则有光强调制型、相位调制型及偏振调制型。

其中光强调制型在一般工程测量中因结构简单、测量范围大而应用较广。

而在对测量精度要求较高的场所中则采用相位和偏振调制。

随着科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳定性及小型化的要求越来越高。

因此相位调制型及偏振调制型传感器是目前研究和开发的主要对象。

目前应用桥梁检测中的光纤传感器主要是相位调制型。

（3）光纤桥梁检测法的优势
光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体利用光纤传输信号。

与传统的桥梁检测传感器相比，光纤传感器具有许多独特的优点[4]：
（1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全；
（2）重量轻、体积小、外形可变；
（3）对被测介质影响小；
（4）具有极高的灵敏度和分辨率；
（5）便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络；
（6）成本低。

三、国外桥梁检测中的光纤传感技术的发展
1989年美国布朗大学（Brown University）的门德斯（Mendez）[8]等人首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。

之后，美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等发达国家，纷纷将光纤传感技术应用在桥梁、大坝等大型民用基础设施的安全监测中，取得了令人鼓舞的进展[9~16]。

加拿大的Rotest公司[17]研制的白光法布里—珀罗光纤传感器就是其中一例，该公司将这种传感器用于桥梁结构中的的应力、应变、结构振动、结构损伤程度、裂缝的发生与发展等内部状态的检测，取得较好的测试结果。

这种基于白光干涉的光纤传感器，具有很高的精度和重复性。

可安装在材料或建筑物的表面，或埋入其内部，连续地对诸如应变、应力、位移、裂缝、孔隙压力、温度等状况进行监测。

Fabry-Perot传感器是在光纤中制造一个真空腔（见图2），当光束通过传感光纤入射到腔内时，会在真空腔的两个端面分别反射、并沿原路返回。

此真空腔称为光纤珐珀腔（F-P腔），若入射到F-P腔的光强为I0，入射光束的中心波长为l，F-P腔的腔长为L，两束反射光束相遇干涉后的输出光强IR近似为：
如果用光纤把F-P腔与光源及光电探测器连接起来就可构成图3所示的检测系统，当把光纤传感器安装在被测体上时，被测体的内部应变使得光纤F-P腔传感器的腔长L同步变化，从而改变输出光强IR。

由（1）式可推得F-P腔的腔长乃至被测体的变形量。

图2 用于应变的Fabry-Perot光纤传感器
图3 传感系统原理图
除Rotest公司之外，世界各国还有多家企业及实验室从事这方面的研究。

其中加拿大在1993年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了八个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论处理数据，准确而又快速的评估了桥梁的使用状态及寿命；而多伦多大学灵巧结构实验室的Alavie等人用布喇格光纤光栅传感器测量了加拿大Beddington大桥的应力。

1996年，美国海军实验研究中心研制了新墨西哥州I-10桥健康检测系统，它由60个FBG（光纤布喇格光栅）传感器组成，可实现动态与静态应变测量。

1997年，美国的佛丝特-米勒公司也用FBG传感器完成了俄亥俄州巴特勒县高速公路桥健康检测系统。

美国的维蒙特大学与美国电光子公司合作研制了用于检测桥梁、公路腐蚀的光纤腐蚀传感技术，并在1997年的夏季首次应用在维蒙特市北部的三座桥上，取得了较好的测量效果。

瑞士的联邦技术研究所与瑞士智能结构公司基于准相干光干涉原理开发出了光纤应变/变形传感器，传感头可方便的埋入混凝土结构的内部或固定于任意结构的外部。

为了和传统的电检测技术比较，智能结构公司于1995年在日内瓦附近的一座高速公路桥上同时安装了光纤传感器和传统的应变片、热电偶应变传感器。

但只有光纤传感器完成了从施工、竣工检验、通车使用整个过程中的混凝土固化的热收缩应变、负荷试验、长期应用考验。

四、国内桥梁检测中的光纤传感技术的现状
目前国内对桥梁的检测都是在设计、施工安装完毕交付使用以后，才对桥梁进行定点的检测的，采用的方法是电检测方法，即如前文所述，在梁体某个部位上，外粘应变片。

这种方法的局限性较大，费时费力；而且所检测的数据都是某个时间点上的数据；同时由于施工质量、安装等因素的影响，与原始设计参数有着一定的误差。

从90年代开始，我国就开始了光纤传感技术的应用研究。

清华大学、同济大学、重庆大学、哈尔滨工程大学等院校已对光纤传感器应用于桥梁检测进行了理论研究，并在实验室中做了样机实验，取得了较好的效果。

图4 用光纤实现的白光麦克尔逊干涉仪
哈尔滨工程大学的苑立波教授[18]依据白光干涉原理设计了光纤传感器，与Retest公司不同的是他设计的是如图4所示的光纤Michelson结构的白光干涉仪，通过比较光程差的方法来间接地测量传感器长度随桥索应力、应变的变化特性。

图5 双F-P结构的波长扫描干涉仪
清华大学电子工程系的廖延彪教授[19]建立了一种新的波长干涉仪实验系统，如图5所示。

系统中采用了波长扫描光源,并用了两个准直结构的法布里-珀罗干涉仪，一个作为参考干涉仪，另一个作为传感干涉仪。

从而实现了较大范围的绝对距离测量，并放宽了对于光源稳定性、扫描重复性的要求，使系统在距离的长期监控测量方面较现有的其它测量方法具有更大的优势。

五、结束语
把光纤传感技术应用到桥梁检测中给桥梁健康监测和安全评价注入了新的活力，国外经过近十几年的研究，已形成了比较成熟的技术，其相关产品由于精度高和实用性强而得到用户的青睐，但其高昂的价格阻碍了它在中国的应用。

因此，在今后的研究中，我们需要从原理、制作工艺等方面着手研制高性能、低价格的传感器以满足国内的市场需求。