桥梁安全监测中的光纤光栅传感技术浅析

李 旭（中铁二十局集团第二工程有限公司，陕西 西安 710000）

桥梁安全监测中的光纤光栅传感技术浅析

李 旭（中铁二十局集团第二工程有限公司，陕西 西安 710000）

针对传统监测难以满足桥梁安全状态监测的问题，通过将光纤作为信号感知单元，可对桥梁结构的动静态应变进行感知，并对损伤状况进行实时监测和预警。光纤传感技术是近年来发展非常迅速的一种信号测试手段，与传统测试手段相比具有一系列的优势。本文从目前主要使用的光纤光栅（FBG）传感桥梁监测系统入手，从测试原理、测试方法和实现效果等方面进行分析，并对以后的技术发展做出了展望。

光纤光栅；桥梁；安全监测

1 引 言

桥梁结构的安全监测一直是国内外工程领域广泛关注的重要研究课题。大型土木工程结构在服役过程中, 由于过载、疲劳效应以及外来冲击等原因, 不可避免会产生结构损伤,并导致事故的发生。光纤传感器因具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，在结构健康监测系统研究中得到广泛认可。其中, 光纤布拉格光栅(FBG)传感器更以其波长编码、对横向和纵向应变敏感等独特特点受到了高度重视，近年来国内外越来越多的工程单位和科研人员合作将光纤光栅作为信号感知单元对桥梁的受力情况进行测量[1-2]。

2 测试原理与测试系统

FBG是利用光纤的光敏性在紫外光照射下产生光致折射率变化，通过光纤的耦合模理论分析可知，光栅的折射率呈周期性分布，当包含多个波长信号的光经过光栅时，满足布拉格条件的光在光栅中反射后沿原路返回，其他波长则穿过光栅。布拉格波长的反射条件为：

应变导致FBG的中心波长产生偏移，当在FBG产生拉伸或挤压作用时，弹性形变导致栅区周期改变；同时弹光效应导致芯内有效折射率发生变化。图1所示为FBG的物理结构图。

凭借着FBG对应变的良好感知能力，其被广泛的应用于应力测量、结构健康监测、安全监测等领域。FBG传感器波长的应变情况与其中心波长、结构体的材料以及传感器受到的外力载荷大小有关。当FBG传感器的结构体确定时，可以根据FBG波长的应变情况推算传感器的受力情况，通过综合监测系统下的多支传感器的受力情况即可对被测结构的受力情况进行监测。典型的FBG传感测量系统主要包括三部分：传感单元，光源、耦合器和环形器等组成的光路部分，光电探测器、数据采集卡和上位机组成的信号处理单元。

图1 FBG物理结构图

3 典型应用

经过三十余年的发展，国内外已有较多基于FBG的桥梁健康监测案例，但由于桥梁结构及其所处环境的复杂性，加上桥梁结构监测是一个涉及到多学科、跨行业的难点课题，总体而言，国内外的研究目前还处于探索和试用阶段。

3.1 国外应用情况

布朗大学的门德斯等人在1989年首先提出了在混凝土结构中使用光纤传感器进行健康监测。在此之后，欧美国家的科研人员对基于光纤传感技术的工程质量和健康监测做了大量的研究[3]。同年，Woff等人在德国莱沃库森的希斯贝格街道桥上，将光纤传感器埋入收缩量很小的合成树脂砂架中，制成预应力筋用于检测桥面的内部损伤情况。1999年，在美国新墨西哥州际高速公路的钢结构桥梁上，安装了创当时记录的64个FBG传感器。新世纪以来，欧美发达国家加快了FBG在桥梁健康监测领域的应用，并取得了大量研究成果，表1列举了国外部分基于FBG感知的桥梁健康监测系统。

表1 国外实施健康监测系统的桥梁

3.2 国内应用情况

我国桥梁监测工作相对发达国家较晚，近年来随着整体科技实力和桥梁建设的发展，其作用和意义才逐渐被设计者、施工单位和管理部门所认同[4]。欧进萍等人在2001年的呼兰河大桥施工过程中将光纤光栅埋入混凝土箱梁中，对结构检测领域进行了研究和探索。东南大学的张彪等人在河南洛阳的瀛洲大桥上进行了基于FBG传感的结构健康监测系统研究，主要对主副拱和桥墩结合部的受力情况进行了监测。武汉理工大学光纤传感实验室在武汉长江二桥建立了一套桥梁长期健康监测系统，能够同时测量关键截面应变和温度、交通荷载、关键部位线形等。表2为国内部分基于FBG感知的桥梁健康监测系统。

表2 国内实施健康监测系统的桥梁

4 测试中的问题与下一步研究方向

桥梁结构的健康监测涉及多门学科技术知识，包含内容广泛，同时光纤传感技术相对电类信号测量来说还是一门新兴学科，因此，从软硬件技术、数据处理方法等方面还有待进一步的研究和完善。

4.1 传感探头结构研究

桥梁结构的健康监测对传感器的寿命要求长达数十年，同时要求在如此长的工作时间内保持较高的测量精度和分辨力，基于此，需要对传感探头的封装结构进行深入研究，确保传感器的高可靠性、良好的防尘性能以及相应的防振性能。考虑到进一步的产业化和工业化，需要对传感器的生产技术、安装工艺进行规范化升级，以满足工程结构监测下的长期稳定性监测要求。

4.2 光纤传感网传输技术研究

大型桥梁结构中需要大量各异的传感单元，因此在光纤感知桥梁健康监测系统具有信号量规模大、不同信号和物理量并行处理的特点，对信号传输技术提出了更高的基础，需要对基于波分复用、时分复用的组网技术进行深入研究，提升数据融合和重构技术等。

4.3 海量数据处理分析方法研究

大量数据对硬件的处理效率是一大考验，同时海量的数据对应更好的误差率，有可能导致错误的监测结果，因此需要对监测和预警算法、数据储存结构进行系统研究，运用合理算法，如神经网络算法、相应滤波算法，避免信号数据污染，降低误判率，实现全套监测系统的安全可持续运行。

[1]Hill KO,Malo B, Bilodeau F, et al.Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask[J].Applied Physics Letters.1993, 63(10):1035-1037.

[2]张东生,李微,郭丹,等.基于光纤光栅振动传感器的桥梁索力实时监测[J].传感技术学报, 2007,20(12):2720-2723.

[3]Casas J R, Cruz P J S.Fiber Optic Sensors for Bridge Monitoring[J].Journal of Bridge Engineering, 2003, 8(6):362-373.

[4]万里冰,武湛君, 张博明,等.基于光纤光栅传感技术的桥梁结构内部应变监测[J].光电子·激光, 2004,15(12):1472-1476.

Analysis of fiber bragg grating sensing technology in bridge safety monitoring

To solve the problem of traditional technology for long-term bridge health monitoring, quasidistributed measurement of optical fiber which based on fiber Bragg grating (FBG) is a good solution.In such a system, the dynamic and static monitoring and damage identification of bridges can be realized in a real time through a FBG sensing network connected in series with only one or a set of fibers.The feasibility of the scheme is verified through theoretical and experimental results, which is conducive to the actual engineering.

TU347

B

1003-8965(2017)04-0003-02

Keyworods：FBG；bridge；safety monitoring