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摘要：從FBG傳感器的基木特點(diǎn)、組成、布設(shè)原則、安裝方法、工作原理幾個(gè)方面闡述了FBG傳感器在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，最后指出FBG傳感器在橋梁健康監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)解決的問(wèn)題。...

FBG傳感器在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

孫家升，劉信斌

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

    隨著橋梁建設(shè)的逐步發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到廣大工程技術(shù)人員的關(guān)注。橋梁健康監(jiān)測(cè)的實(shí)質(zhì)，即通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度進(jìn)行診斷，對(duì)橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評(píng)估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁的維修養(yǎng)護(hù)與管理決策提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

從目前的發(fā)展來(lái)看，用于橋梁健康監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)施越來(lái)越先進(jìn)。而作為橋梁健康監(jiān)測(cè)的一種重要的工具和手段，高性能的智能傳感器在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中正被廣泛的應(yīng)用，FBG傳感器就是其中之一。

1.FBG傳感器的應(yīng)用

    1.1簡(jiǎn)介

    FBG是光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)的英文縮寫(xiě)。作為非常重要的現(xiàn)代光纖無(wú)源器件之一，在近年得到了非常迅速的發(fā)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(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化)，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波鏡或斤射鏡。

    FBG傳感器具有質(zhì)量輕、信息量大、可測(cè)量多種信號(hào)、抗干擾性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、復(fù)用性好、易于分布埋人結(jié)構(gòu)和構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)等眾多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，作為傳感元件，它還有一個(gè)最為突出的優(yōu)點(diǎn)：即感應(yīng)的信息用波長(zhǎng)編碼，而波長(zhǎng)這個(gè)絕對(duì)參量不受光源功率的波動(dòng)及連接或耦合損耗的影響，傳感信號(hào)可長(zhǎng)距離傳輸且不受電磁信號(hào)的干擾。特別是很容易在一根光纖上連續(xù)制作多個(gè)光柵。所制得的光柵陣列輕巧柔軟，與時(shí)分復(fù)用和波分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，很適合于作為分布式傳感元件埋人材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部，還可以貼裝在其表面，這對(duì)于目前橋梁健康監(jiān)測(cè)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(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，是隨著光導(dǎo)纖維實(shí)用化和光通信技術(shù)的發(fā)展而形成的。其主要包括三個(gè)組成部分：光源、光纖和光探測(cè)儀。

    1.3布設(shè)原則

    橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基木功能是通過(guò)傳感器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，合理布置傳感器是保證結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的前提。本著“從狀態(tài)評(píng)估的需要出發(fā)，以有效和經(jīng)濟(jì)為主，使測(cè)點(diǎn)能夠發(fā)揮最大效應(yīng)”的原則，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果、傳感器布設(shè)優(yōu)化理論分析結(jié)果以及構(gòu)件重要性、易損性以及經(jīng)濟(jì)性等多方面因素。

    傳感器的優(yōu)化布設(shè)問(wèn)題是基于隨機(jī)振動(dòng)的大跨度橋梁的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，其有效性首先建立在模態(tài)試驗(yàn)的好壞上，而傳感器的類型、位置和數(shù)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果起決定作用。采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，布置傳感器之前，要注意以下幾個(gè)方面的原則。

    1.3.1正確的力學(xué)模型

    首先需要對(duì)橋梁的內(nèi)力分布和變形特征作全面的分析，例如，竣工的恒載內(nèi)力、梁拱的線形和標(biāo)高、塔墩的斜度和標(biāo)高、頻率和振型。如果實(shí)測(cè)值與理論值相差過(guò)大，需要查明原因。判別無(wú)誤后，應(yīng)采用逆分析法(例如修正剛度矩陣法)修正橋梁計(jì)算模式(如修正支承條件、修正混凝土剛度等)，再與實(shí)橋檢驗(yàn)數(shù)據(jù)核實(shí)。反復(fù)修正的結(jié)果，才能作為監(jiān)測(cè)的模型。

    1.3.2合適的監(jiān)測(cè)參數(shù)

    確定需要而且可能檢測(cè)的參數(shù)，例如索或纖細(xì)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(dòng)、勻質(zhì)材料的區(qū)間應(yīng)變、外界環(huán)境影響(日照、溫度、風(fēng)力、腐蝕物濃度、車輛密度和重量)、全局和構(gòu)件的振動(dòng)頻率、一階振型等。

    1.3.3恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)位置

    確定必要和最佳的檢測(cè)位置，例如，正負(fù)撓度峰值點(diǎn)、應(yīng)力峰值點(diǎn)、索或纖細(xì)拉桿等。

    1.3.4可靠的傳感通訊系統(tǒng)

    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(tǒng)是保證監(jiān)測(cè)結(jié)果可信度的基礎(chǔ)。

    1.3.5經(jīng)濟(jì)效益

    應(yīng)綜合考慮監(jiān)測(cè)效果與費(fèi)用等因素，確定傳感器的數(shù)目及布設(shè)方案，進(jìn)行功能與成本的優(yōu)化組合。

    1.4安裝方法

    傳感器安裝需要滿足兩個(gè)基木條件：一要保證結(jié)構(gòu)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(lái)；二要保證傳感器的使用壽命滿足對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

    傳感器安裝方式可分為內(nèi)部埋人式和外表粘貼式兩種。內(nèi)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(jiān)測(cè)施工過(guò)程中材料內(nèi)部的變化過(guò)程或者建成后結(jié)構(gòu)使用期間的狀態(tài)；而外表粘貼式適用于那些現(xiàn)存的工程結(jié)構(gòu)，通常將光纖傳感器用膠粘貼在那些對(duì)結(jié)構(gòu)中感興趣參數(shù)最敏感的部位。

    1.5工作原理

    在光纖光柵應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中，FBG傳感器獲取的穩(wěn)定、高精度應(yīng)變信號(hào)，通過(guò)光纜遠(yuǎn)程傳輸送入調(diào)制調(diào)解器，然后直接輸人計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)，利用橋梁結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估的專家系統(tǒng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況作出評(píng)價(jià)：安全(正常)和不安全(預(yù)警)，同時(shí)將評(píng)估報(bào)告或橋梁的健康狀況信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)傳輸至橋梁管理部門(mén)，從而可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測(cè)的信息化管理。特別是從光纖傳感器到、解調(diào)器之間的距離可達(dá)5km以上，橋梁現(xiàn)場(chǎng)到解調(diào)器之間僅需一根光纜連接，能實(shí)現(xiàn)橋梁的分布測(cè)量和集中監(jiān)測(cè)處理。

    解調(diào)器及后續(xù)的設(shè)備置于集中監(jiān)控室，避免了儀器在現(xiàn)場(chǎng)難于保護(hù)的缺點(diǎn)，便于保養(yǎng)和維修，從而提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性。

2.結(jié)束語(yǔ)

    FBG傳感器所具有的特點(diǎn)使其在橋梁健康監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是其能夠埋入混凝上結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，這是傳統(tǒng)傳感器無(wú)法勝任的；準(zhǔn)分布或分布式光纖傳感器減少了測(cè)試數(shù)據(jù)采集設(shè)備所需的通道數(shù)量，從而降低了測(cè)試成本，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)待測(cè)物理量的分布場(chǎng)值的測(cè)量。光纖傳感器使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠更方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

    基于FBG傳感測(cè)試系統(tǒng)能夠建立起完善的橋梁在線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的在線、不間斷監(jiān)測(cè)。從技術(shù)角度而言，該系統(tǒng)具有安全運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)自檢、分析、異常情況記錄、危險(xiǎn)狀況報(bào)警、提供各類安全運(yùn)營(yíng)報(bào)表、橋梁病害診斷等、且系統(tǒng)自身運(yùn)行可靠、傳感元件壽命長(zhǎng)、便于維護(hù)保養(yǎng)等功能。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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