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摘要：從FBG傳感器的基木特點、組成、布設原則、安裝方法、工作原理幾個方面闡述了FBG傳感器在橋梁健康監測中的應用，最后指出FBG傳感器在橋梁健康監測方面的優勢和實際應用中應解決的問題。...

FBG傳感器在橋梁健康監測中的應用研究

孫家升，劉信斌

(西南交通大學，四川成都610031)

    隨著橋梁建設的逐步發展，橋梁健康監測技術越來越受到廣大工程技術人員的關注。橋梁健康監測的實質，即通過對橋梁結構的無損檢測、實時監控結構的整體行為，對結構的損傷位置和損傷程度進行診斷，對橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行智能評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時發出預警信號，為橋梁的維修養護與管理決策提供科學依據和指導。

從目前的發展來看，用于橋梁健康監測的硬件設施越來越先進。而作為橋梁健康監測的一種重要的工具和手段，高性能的智能傳感器在監測系統中正被廣泛的應用，FBG傳感器就是其中之一。

1.FBG傳感器的應用

    1.1簡介

    FBG是光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)的英文縮寫。作為非常重要的現代光纖無源器件之一，在近年得到了非常迅速的發展。其原理在于：光纖光柵是利用光纖材料的光敏性(外界入射光子和纖芯內鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化)，在纖芯內形成空間相位光柵，其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波鏡或斤射鏡。

    FBG傳感器具有質量輕、信息量大、可測量多種信號、抗干擾性強、壽命長、復用性好、易于分布埋人結構和構成網絡等眾多優點。同時，作為傳感元件，它還有一個最為突出的優點：即感應的信息用波長編碼，而波長這個絕對參量不受光源功率的波動及連接或耦合損耗的影響，傳感信號可長距離傳輸且不受電磁信號的干擾。特別是很容易在一根光纖上連續制作多個光柵。所制得的光柵陣列輕巧柔軟，與時分復用和波分復用技術相結合，很適合于作為分布式傳感元件埋人材料或結構內部，還可以貼裝在其表面，這對于目前橋梁健康監測方面的研究有著非常重要的意義。

    1.2基本組成

    FBG傳感器是20世紀80年代發展起來的一門新技術，是隨著光導纖維實用化和光通信技術的發展而形成的。其主要包括三個組成部分：光源、光纖和光探測儀。

    1.3布設原則

    橋梁健康監測系統的基木功能是通過傳感器系統來實現的，合理布置傳感器是保證結構健康監測系統運行質量的前提。本著“從狀態評估的需要出發，以有效和經濟為主，使測點能夠發揮最大效應”的原則，應綜合考慮結構計算分析結果、傳感器布設優化理論分析結果以及構件重要性、易損性以及經濟性等多方面因素。

    傳感器的優化布設問題是基于隨機振動的大跨度橋梁的健康監測技術，其有效性首先建立在模態試驗的好壞上，而傳感器的類型、位置和數量對試驗結果起決定作用。采用實時監測，布置傳感器之前，要注意以下幾個方面的原則。

    1.3.1正確的力學模型

    首先需要對橋梁的內力分布和變形特征作全面的分析，例如，竣工的恒載內力、梁拱的線形和標高、塔墩的斜度和標高、頻率和振型。如果實測值與理論值相差過大，需要查明原因。判別無誤后，應采用逆分析法(例如修正剛度矩陣法)修正橋梁計算模式(如修正支承條件、修正混凝土剛度等)，再與實橋檢驗數據核實。反復修正的結果，才能作為監測的模型。

    1.3.2合適的監測參數

    確定需要而且可能檢測的參數，例如索或纖細拉桿的軸力、梁的撓度變化、高聳塔的水平位移、懸掛橋梁的縱橫擺動、勻質材料的區間應變、外界環境影響(日照、溫度、風力、腐蝕物濃度、車輛密度和重量)、全局和構件的振動頻率、一階振型等。

    1.3.3恰當的監測位置

    確定必要和最佳的檢測位置，例如，正負撓度峰值點、應力峰值點、索或纖細拉桿等。

    1.3.4可靠的傳感通訊系統

    選擇操作方便、耐候性好而且精度合適的傳感器和通訊處理系統是保證監測結果可信度的基礎。

    1.3.5經濟效益

    應綜合考慮監測效果與費用等因素，確定傳感器的數目及布設方案，進行功能與成本的優化組合。

    1.4安裝方法

    傳感器安裝需要滿足兩個基木條件：一要保證結構或材料特征參量的變化完全傳遞到傳感器，由傳感器表征出來；二要保證傳感器的使用壽命滿足對結構長期監測。

    傳感器安裝方式可分為內部埋人式和外表粘貼式兩種。內部埋人式適用于那些在建或者將要興建的大型工程，用于監測施工過程中材料內部的變化過程或者建成后結構使用期間的狀態；而外表粘貼式適用于那些現存的工程結構，通常將光纖傳感器用膠粘貼在那些對結構中感興趣參數最敏感的部位。

    1.5工作原理

    在光纖光柵應變測試系統中，FBG傳感器獲取的穩定、高精度應變信號，通過光纜遠程傳輸送入調制調解器，然后直接輸人計算機信息處理系統，利用橋梁結構狀況評估的專家系統，對橋梁結構的健康狀況作出評價：安全(正常)和不安全(預警)，同時將評估報告或橋梁的健康狀況信息通過互聯網及時傳輸至橋梁管理部門，從而可實現結構在線健康監測的信息化管理。特別是從光纖傳感器到、解調器之間的距離可達5km以上，橋梁現場到解調器之間僅需一根光纜連接，能實現橋梁的分布測量和集中監測處理。

    解調器及后續的設備置于集中監控室，避免了儀器在現場難于保護的缺點，便于保養和維修，從而提高了監測系統的可靠性和易維護性。

2.結束語

    FBG傳感器所具有的特點使其在橋梁健康監測方面具有廣闊的應用前景，特別是其能夠埋入混凝上結構或復合材料結構中，這是傳統傳感器無法勝任的；準分布或分布式光纖傳感器減少了測試數據采集設備所需的通道數量，從而降低了測試成本，并能夠實現對待測物理量的分布場值的測量。光纖傳感器使得監測系統能夠更方便地實現對橋梁結構的遠程監測和控制。

    基于FBG傳感測試系統能夠建立起完善的橋梁在線健康監測系統，從而實現對橋梁的在線、不間斷監測。從技術角度而言，該系統具有安全運營監測數據庫的建立、存儲、數據自檢、分析、異常情況記錄、危險狀況報警、提供各類安全運營報表、橋梁病害診斷等、且系統自身運行可靠、傳感元件壽命長、便于維護保養等功能。

參考文獻:

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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