光纤光栅传感器在路桥隧结构健康监测中的应用

柏格文 齐云鹏

摘 要：文章介绍了光纤布拉格光栅传感器的原理和发展，列举分析其目前应用于路桥隧领域的研究及工程实例。文章着重阐述光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用价值，并剖析光纤光栅传感器在道路应用方面存在的问题。

关键词：光纤光栅传感器；道路；桥梁；隧道；结构健康监测

1 光纤光栅传感技术简介

光纤布拉格光栅（Fibber Bragg Gratting，FBG）由加拿大信息通信学家Ken Hill等于1978年发明。通过利用含锗光纤的光敏特性，当光照射时产生光纤纤芯折射率的轴向周期性改变，结合信号调制解调技术反馈光强与纤芯物理性质变化的拟合。在1989年，Ken Hill等利用紫外激光干涉图样实现了对FBG的横向周期结构反馈；在1993年，运用相位掩摸技术的FBG技术有效降低了写入光的相干性要求，为FBG传感器的量产奠定了基础。纤芯折射率（模态指数）分布（见图1）和光谱响应（见图2）反映了FBG的工作原理。

FBG中反映光纤折射率周期性变化的反射波长^。的定义式：

其中，ne为纤芯有效折射率（模态指数）；人为光栅周期。纤芯有效折射率在多模光波导条件下取决于光的传播模态和波长，因而也被称作模态指数。由于FBG波长对应变和温度的高敏性，FBG传感器在感温和变形测量方面有着显著的优势。在载荷应变∈或温度变化△，下，FBG波长偏移系数可由下式推算[1]：

其中，Cs为应变系数，由应变光学系数导出，CT是光纤的热膨胀温度系数。通过对不同的测试需求采用增敏技术，写入光栅并封装，可制成FBG传感探头。光纤光栅传感系统由光源、FBG传感器、光信号解调仪和数据处理系统组成[2]，将纤芯中的后向散射光信号解调后进行处理，故对传感器件集成度有较高的要求。

2 光纤光栅传感器在路桥隧工程中的应用

工程建设的费效比优化一直是科研的热点方向，不论施工和运营维护都寻求稳定高效。结构健康监测（ StructuralHealth Monitoring，SHM）技术实现对结构的实时监测，补充甚至超越了传统的检测方式，特别是当结构受到损害时，完成4步：判断损伤存在并定位、识别损伤类型、量化损伤程度、损伤评估，进而保障结构的安全性。Boller等[3]指出SHM是通过内嵌式集成传感设备对结构荷载和损伤情况进行采集分析，并实现预测损伤的技术。FBG传感器对应变和温度的敏感性强，在SHM中得到了广泛应用。

FBG传感器在桥梁SHM中主要用于预应力拉索索力监测、混凝土应变与裂缝监测、复合材料性能监测等。胡军等[4]将FBG传感器预布设于梁体内部，通过减敏封装技术克服了光纤线膨胀系数过小的问题，验证了FBG技术在连续梁预应力索索力监测中的可行性。卢哲安等[5]通过埋入式FBG传感器和振弦传感器对混凝土应变的比较，得出FBG传感器在线性响应上优于后者的结论，由荷载一应变图变化可实现对裂纹的产生、发展和断裂等实时监测。位于加拿大Headingly的Taylor大桥采用FRP复合材料预应力筋，配备了66个FBG传感器以监测复合材料及混凝土的应变，将光信号现场解调后的数据存储于计算机，并传输到监测站留存。得益于FBG传感器优异的抗电磁能力、良好的长期稳定性和高精高敏性，其在桥梁SHM中的应用前景十分广阔。

FBG传感器在隧道SHM中主要用于对衬砌应力和应变等指标的实时监测，评估岩体自变形及渗透、泥石流等各类次生灾害造成的影响。Brusi等[6]运用FBG技术对隧道横断面进行四模块弯曲实验，结合决策支持系统（DecisionSupport System，DSS）实现对隧道应力应变的实时智能监测，对突发异常情况能快速判别并报警，尤其在震区效果显著。国内胡军[7]在厦门翔安隧道横断面配置8个FBG传感器，验证其用于二衬应变监测的可行性，定性分析了温度补偿的可靠性。FBG传感器与隧道衬砌契合度高，对于处于不可接受范围的应变有良好的感知和反馈能力，是隧道SHM传感系统的理想之选。

FBG传感器在道路SHM中主要用于路面结构形变监测、路面温度场监测。路面结构承受直接荷载时，对基层的应变测量有别于桥梁和隧道的直接监测；同时，沥青路面的拌捣温度高达160℃，超高温以及铺装时对预布置FBG传感器易造成损害。目前，国内沥青路面FBG传感器多采用封装方式隔绝高温和二次损害，同时经模拟实验制定FBG应变与沥青混合料协同变形的相关方法，校正FBG传感器。谭忆秋等[8]利用哈工大研发的受拉和受压FBG传感器，对加载宽梁进行研究，比对FBG监测的应变值和沥青混合料的累计应变，只有受拉PP型传感模量能在一定程度上匹配重复加载下的沥青混合料变形特性。FBG传感器与沥青材料的匹配度随着时间推移而降低，应力应变的无规律反复对FBG的稳定性提出了挑战，一方面需要针对原材料和使用情况有别的路面进行FBG匹配设计，另一方面要科学制定相关规范、促进FBG技术在道路SHM中的规范统一。

3结语

光纤布拉格光栅传感器的发展拓宽了光学仪器在民用工程中的应用前景，为路桥隧等大型工程的结构健康监测提供了优质的传感技术平台。人们对于FBG传感系统所做出的探索从未停止，目前看来，国内的FBG-SHM仍需深入研究、逐步完善，为光学仪器和土木工程的交叉应用作出贡献。

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[3]BOLLER C. CHANG F K. FUJINO Y.Structural health monitoring： an introduction and definitions[Ml.United States： John Wiley&

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[4]胡军，陈宏波，应汉雨.光纤光栅在桥梁预应力索索力监测中的应用[J]武汉理工大学学报，2011 （10）：96-99

[5]卢哲安，江志学，石玉华，等.光纤光栅传感技术在桥梁监测中的应用研究[J]武汉理工大学学报，2003 （11）：57-59.

[6]BURSI OS. BONELLI A. FASSIN M.Capabilities of a fiber bragg grating sensor system to monitor the inelastic response of

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（8）：636-653

[7]胡軍.FBG应变传感器在隧道长期健康监测中的应用[J].交通科技，2009 （3）：91-93

[8]谭忆秋，董泽蛟，田庚亮，等.光纤光栅传感器与沥青混合料协同变形评价方法[J]土木建筑与环境工程，2009 （2）：100-104