光纤健康监测方法在土木工程中的研究与应用进展

光纤健康监测方法在土木工程中的研究与应用进展*

李宏男1李东升1赵柏东2

1大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024；

2沈阳大学建筑环境与土木工程学院，辽宁沈阳 110034

摘 要: 在土木工程领域，光纤智能健康监测方法是对建筑物或构筑物的健康状况进行检测的一种新方法。本文首先论述了光纤智能健康监测系统的构成，然后对国内外光纤健康监测系统在土木结构中的研究与应用进行了回顾，介绍了光纤传感器的种类、原理、特点和当前应用的状况，重点介绍了光纤位移传感器和布拉格光栅（Bragg grating）应变传感器，最后展望了光纤智能健康监测方法在土木结构中的应用前景。

关键词: 光纤传感器; 健康监测; 土木工程结构; 布拉格光栅（Bragg grating）光纤传感器

1 前言

重大工程结构的健康监测与诊断越来越受到社会各界的广泛重视，对灾害的提前预警或在灾害发生后评估结构的损伤程度及其剩余寿命已等成为当前各国学者们研究的热点[1]。同时，智能结构控制也成为防灾减灾的一个新兴学科，把人复杂的感知、信息处理和响应的机能外推映射到工程结构中去，从而使结构能够对内部状态的变化和外部环境的刺激做出适当的反应，使其能够象人一样具有进行自我感知、自我诊断和自我调节并适应环境的功能，是未来工程结构的发展方向[2]。

无论是结构的健康监测还是智能结构控制，对结构当前状态的实时测量都是其中必不可少的关键一环，光纤传感器由于其突出的优点而成为智能系统的首选传感器。光纤传感器最早的应用是1979年由美国航空航天局组织将光纤传感器尝试性地埋入复合材料内部，监测其应变和温度，之后光纤传感器在飞行器领域和复合材料中取得了越来越多的应用，并逐渐向其他领域扩展，呈现了蓬勃发展的态势。但是，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[3]。

本文论述了光纤智能健康监测系统的构成和国内外在土木结构中的最新研究与应用进展，介绍了光纤传感器的种类、原理及特点，展望了光纤健康监测在土木结构中的应用前景，并指出当前亟待解决的问题。

*本课题得到辽宁省建设厅科技项目（项目编号：02-001）资助。

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2.光纤健康监测研究和应用现状

国际上将光纤传感器用于大型工程结构的健康监测时间不长，目前正处于从萌芽到发展的过渡期。1989年, Mendez等人首先提出了把光纤传感器用于混凝土结构的检测[4]。之后,日本、英国、美国、德国等许多国家的研究人员先后对光纤传感系统在土木工程中的应用进行了研究。日本、美国和瑞士的光纤传感器在土木工程中的应用领域相对较广泛，已经从混凝土的浇筑过程扩展到桩柱、地基、桥梁、大坝、隧道、大楼、地震和山体滑坡等复杂系统的测量或监测。

Idriss等联合美国联邦公路局在新墨西哥州的Rio Puerco桥上安装了40个SOFO位移光纤传感器和24个温度传感器（如图1和2所示），光纤传感器在浇筑前预埋入结构中，用于监测预制梁的预应力损失。结果表明，浇筑温度对早期混凝土的预应力损失影响非常大，浇筑温度越低，其预应力损失越严重[5-6]。Kronenberg和Glisic等在瑞士和法国边界一个发电站水库的大坝(Emosson Dam)上安装了光纤传感器（如图3所示）。由于一些原有的传感器操作不方便，对温度、湿度和电磁场等敏感，安装困难，所以用光纤传感器取代传统的传感器来测量坝体的裂纹和基础的位移。安装了两根超长位移计，一根长30米，另一根60米。测试结果表明光纤传感器与原来的杆式伸长计结果非常吻合，测量结果更精确，更灵敏。唯一的缺点是需要约60天左右的传感器校正时间，用于调整光纤传感器涂覆层在运输过程中的变形[7-8]。Inaudi等在一个现存的隧道旁30米距离处修建的另一个隧道壁上安装了8个距离不等的光纤伸长计，安装位置为从已存的隧道在通向新隧道的小孔洞中（如图4所示），用于监测修建隧道时土石的受压情况。测量结果表明，距离隧道钻孔机（即新隧道位置）较近的光纤伸长计有较大的应变，伸长计的变形量与距新隧道垂直距离的远近呈指数下降趋势[9]。Inaudi及他们的小组到2001年为止在约9年时间内共在桥梁，水坝，隧道，发电站等70多个不同场合成功安装了约1500个光纤传感器，用于检测结构的应力、应变、振动、损伤和裂缝等或者进行大型结构的健康监测，其中95-100%都达到了预期的设计功能[10-11]。Pietro 等详细探讨了布拉格光栅光纤（Fiber Bragg grating sensor）传感器的原理、检测方法、应变与温度信号分离的各种解决办法，并指出光纤地震检波器，光纤地震仪等可以用于测量岩石变形，隧道监测和地震测量[12]。Udd等在一座桥上安装了布拉格光栅光纤传感器，测试结果表明，该传感器不仅可以监测车辆的行驶速度，而且可以称量运动中车辆的重量，对交通流量进行分类，其灵敏度竟可以检测到桥上的跑步着或者成人的行走[13]。

光纤传感器是一个新兴蓬勃发展起来的行业，许多公司都在致力于研制并开发新类型、功能或更加廉价的光纤传感器产品，几乎每天都有新型光纤传感器在申报或者获得专利。美国已有专利利用光纤传感器测量地下钻孔时孔表面的垂直地震响应，利用测量动应变来测量一点处的三向加速度等。欧洲有公司采用光纤传感器利用基站与测量站之间的距离变化来测

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量20公里以内的山体滑坡或者地面运动，此种光纤传感器在全球定位系统等中也将起到积极的作用。目前各种新型的光纤传感器层出不穷，从结构的静应力[14]、振动的测量[15]到结构应变的健康监测等[16-17]。

1998年，欧盟几个发达国家联合成立了一个“混凝土结构性能评估集成监测系统”（Smart Project ）项目，有8家公司等联合组成。根据该项目的研究结果[18-19]，光纤健康监测可使系统的运行费用降低10-20%，而且其模型对未来新建项目具有启发意义，可使其整个使用期总费用额外节省约10%。如果光纤传感器在土木工程中成功地应用，不仅会节省很多测量监测费用，有着巨大的经济效益；同时也会使测量精度进一步提高，能够测量许多过去很困难或者根本无法测量的量。对于大型桥梁、水坝等基础设施的监测水平会有很大程度的提高，更加可靠地保证人民群众的生命安全，有着巨大的社会效益。

图1：Rio Puerco 桥图 图2：光纤传感器埋入位置图

图3：Emosson 大坝光纤传感器安装图

图4：Mt.Terri 隧道光纤传感器安装图

与国际上光纤传感器的迅猛发展相比，我国近几年才开展这方面的研究工作。刘雄等分析和比较了光纤传感器与普通传感器的优缺点，研制了光纤刚环位移计和光纤测力计等并将其应用在实际测量中[20]。哈尔滨工业大学智能材料系统和结构中心的冷劲松等人研制成功了端口耦合式光纤振动传感器和基于多模光纤模斑监测的光纤振动传感器并测试了其性能

[21]。梁磊和姜德生等讨论了光纤传感器与混凝土结构的相容性问题,并据此研制出一种新型的光纤传感器[22]。潘树新和刘耀炜总结了地震科学发展的历史，指出观测技术的革新和进