光纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用

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第 ３５ 卷 Ｖｏｌ．３５

第 １１ 期 Ｎｏ．１１

铁 道 技 术 监 督
ＲＡＩＬＷＡＹ ＱＵＡＬＩＴＹ ＣＯＮＴＲＯＬ

监督检验
ＳＵＰＥＲＶＩＳＩＯＮ ＡＮＤ ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ

光纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用
黄艳红 ， 高晓蓉 ，

杜路泉
（ 西南交通大学光电工程研究所 ， 四川 成都 ６１００３１ ）

摘

要 ： 阐述了桥梁缺陷检测和结构健康监测的背景和意义 ， 介绍了桥梁主要缺陷和结构健康监测内容 ，

并对光纤光栅传感器的结构、 工作原理、 应用特点及其在国内外实际工程中的应用进行了概述 ， 最 后 给 出 了 光 纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用。 关键词 ： 桥梁缺陷检测 ； 结构健康监测 ； 光纤光栅传感器 ； 光纤光栅信号解调仪 中图分类号 ： Ｕ２４６．３ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ： １００６－ ９１７８ （ ２００７ ） １１－ ００１７－ ０４

Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅｓ ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｒｅ ｉｌｌｕｓｔｒａｔ－ ｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃ－ ｔｕｒｅ， ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｂｒｏａｄ ａｎｄ ａｔ ｈｏｍｅ． Ｆｉｎａｌｌｙ ｉｔ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： Ｂｒｉｄｇｅ Ｄｅｆｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ； Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ； Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｉｇｎａｌ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ

１

引言
桥梁在一个国家的交通运输和经济发展中占有

工程领域特别是桥梁检测领域的广泛关注。 因此 ， 研 究开发新型的基于光纤光栅传感器的桥梁缺陷检测 和结构健康监测系统具有十分重要的意义。

重要位置 ， 桥梁缺陷检测和结构健康监测是保证桥 梁安全运营的重要手段。 为了保障结构的安全性、 完 整性、 适用性与耐久性 ， 对重大桥梁工程结构进行缺 陷检测 ， 并且增设长期的健康监测系统 ， 以实时监测 桥梁服役期间的安全状况 ， 避免重大事故的发生。 因 而成功开发桥梁健康监测系统将起到确保桥梁安全 运营、 延长桥梁使用寿命的作用。 同时通过早期桥梁 病害的发现能大大节约桥梁的维修费用 ， 避免因频 繁大修关闭交通而引起的重大损失。 传统的桥梁缺陷检测主要采用电类传感器的应 变测量技术 ， 这种方法存在易受电磁干扰、布线复 杂、 时效性低等问题 ， 并且所测量的瞬时结果不能准 确连续预报桥梁工作状态。光纤光栅 （ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ

２
２．１

桥梁主要缺陷和结构健康监测内容
桥梁主要缺陷 （ １ ） 外观缺陷 ； 沉降裂缝、 温 （ ２ ） 裂缝 ： 施工期主要有收缩裂缝、

度作用产生的裂缝 ， 在使用期主要是受力裂缝 ，， 随时 间发展的耐久性裂缝有纵向锈蚀裂缝、冻融循环作 用引起的裂缝、 碱骨料反应引起的裂缝、 盐类及酸类 侵蚀引起的裂缝等 ； （ ３ ） 内部缺陷 ； （ ４ ） 混凝土碳化 ： 混凝土的中性化 ； （ ５ ） 钢筋锈蚀。

２．２

桥梁结构健康监测内容 （ １ ） 桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的

ｇｒａｔｉｎｇ， ＦＢＧ） 传感器相对于传统的电检测技术主要
优点表现为 ： 耐久性好 ， 适于长期监测 ； 无火花 ， 适于 特殊监测领域 ； 既可以实现点测量 ， 也可以实现准分 布式测量等。这些优点使光纤光栅传感器受到土木
收稿日期 ： ２００７－ ０９－ ０６ 作者简介 ： 黄艳红 ， 硕士研究生 ； 高晓蓉 ， 教授 ； 杜路泉 ， 硕士研究生

物理与力学状态 ； （ ２ ） 桥梁重要非结构构件和附属设施的工作状 态； （ ３ ） 结构构件耐久性 ； （ ４ ） 大桥所处环境条件等。 ? １７ ?

２００７ 年 １１ 月 （ 总第 ２５３ 期 ）

监督检验

光纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用

３
３．１

光纤光栅传感器简介
光纤光栅传感器的结构及工作原理 光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率 ， 产生小
－５

多值函数问题 ， 与光源、 传输和连接件的损耗等强度 信息没有关系， 因而对环境干扰不敏感［３］； （ ６ ） 光纤光栅可以单端输入和单端检测 ， 减少了 埋入光纤与探测元件的数量 ， 特别适于物理量 （ 如应 变和温度场等 ） 的测量。 尽管光纤光栅传感器具有上述许多优点 ， 但是 在实际应用中还是存在一些问题。 目前 ， 限制光纤光 栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调即光 纤光栅传感器分析仪 ， 正在研究的解调方法很多 ， 但 能够实际应用的解调产品并不多 ， 而且价格较高 ， 如 果用于多点监测的分布式传感器网络系统中成本将 更高。光纤光栅传感器应用中的问题如下 ：
［２］

的周期性调制而形成的 ， 其折射率变化通常在 １０ ～

１０ 之间 ， 通过紫外光曝光的方法将入射光的相干
－３

场图形写入纤芯 ， 在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射 率周期性变化 ， 从而形成永久性空间的相位光栅 ， 其 作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反 射镜。光纤芯中的折射率调制周期 Λ由下式给出 ： 是２ Λ ＝λ ／２） ， 式中 λ ｕｖ／２ ｓｉｎ （ θ ｕｖ 是紫外光源波长 ， θ 相干光束之间的夹角 。
［１］

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的 。光 敏性是指激光通过掺杂光纤时 ， 光纤的折射率将随 光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内 形成的空间相位光栅 ， 其实质就是在纤芯内形成一 个窄带的 （ 透射或反射 ） 滤波器或反射镜。利用光纤 材料的光敏性 ， 通过紫外激光在光纤纤芯上刻写一 段光栅 ， 当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射 入时 ， 在光栅处有选择地反射回一个窄带光 ， 其余宽 带光继续透射过去 ， 在下一个具有不同中心波长的 光纤光栅处反射。当光纤光栅所处环境的温度、 应 力、 应变等物理量发生变化时 ， 光栅周期或纤芯折射 率随之发生变化 ， 使反射光波长发生变化 ， 通过测量 变化前后反射光波长的变化 ， 就可以获得待测物理 量的变化情况。 制；

（ １ ） 由于光源带宽有限 ， 而应用中一般要求光栅 的反射谱不能重叠 ， 因此 ， 可复用光栅的数目受到限 （ ２） 如何实现在复合材料中同时测量多轴向的 应变 ， 以再现被测体的多轴向应变形貌 ； 高精度、 快速实时测量 ； （ ３ ） 如何实现大范围、 （ ４ ） 当温度和应变同时发生变化时 ， 传感器本身 无法分辨出两者分别引起的反射中心波长的变化 ； 如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的 还是由应力产生的应变引起的 ， 也即是如何消除或 区分应变及温度交叉敏感问题 ； （ ５ ） 光纤光栅传感器制作材料比较脆弱 ， 所以它 在使用过程中容易损坏 ； 需要对其进行封装处理 ， 研 究开发出耐久性好的材料对其进行封装很有必要 ， 以延长传感器的使用寿命 ； （ ６ ） 目前 ， 普通的光纤光栅传感器的检测精度较 传统的应变电类检测传感器相对要低些 ， 研制开发 出检测精度更高的适合桥梁的专用光纤光栅传感器 势在必行 ， 也是其广泛应用于未来桥梁结构健康监 测系统的前提。 有效地解决上述问题对于实现廉价、 稳定、 高分 辨率、 大测量范围、 多光栅复用的传感系统具有重要 意义。

３．２

光纤光栅传感器的应用特点 光纤光栅传感器作为一种新型光纤传感器 ， 对

大多数物理量直接感应 ， 可同时感应温度和应变 ， 还 可以进行多个物理量的同时测量 ， 其应用领域非常 广泛。 同时 ＦＢＧ 传感器阵列可以实现分布式的传感 网络 ， 对物体进行多点测量 ， 提取相关的信号 ， 进行 状态分析 ， 达到示警以及故障诊断的目的。 其主要技 术应用优势包括 ： 测量精度高 ， 单路光纤上可以制 （ １） 可靠性好、 作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测 量 ， 其测量点多 ， 测量范围大 ； （ ２） 抗电磁干扰能力强 ； （ ３） 光纤光栅是无源传感器，不受电磁场的影响， 也不发热，特别适于电磁场强烈的环境 ； （ ４ ） 光纤光栅的材料是非金属材料 ， 耐腐蚀能力 强； （ ５ ） 光纤光栅传感器调制的是波长信号 ， 不存在 ? １８ ?

３．３

光纤光栅传感器在国内外实际工程中的应用 随着高智能传感材料和传感器解调技术的发

展 ， 光纤光栅传感器系统的成本将降低 ， 而光纤光栅 传感器由于其具有很多的技术优势 ， 因而是土木工 程领域研究的热点。目前在国内外都有光纤光栅传 感器应用工程的成功案例 ， 并且证实监测结果比较 理想。目前 ， 应用光纤光栅传感器最多的领域当数 桥梁的安全监测。

铁道技术监督

第 ３５ 卷

第 １１ 期

３．３．１

国内应用案例 （ １） 南京长江第三大桥施工监测 南京三桥深水基础施工监测项目中共布设了

３９７ 个光纤光栅应变和温度传感器 ， 是目前国际上
施工控制中布设光纤光栅应变和温度传感器最多的 桥梁。该监测项目将光纤光栅温度传感器应用于南 京三桥承台大体积混凝土温度场监测中取得了良好 的控制效果 ， 带来了显著的社会和经济效益 ， 具有重 要的推广应用价值。 （ ２） 哈尔滨四方台松花江大桥 该监测项目在桥上共布设了 ６０ 只光纤光栅传 感器。 历经近 ３ 年的考验 ， 光纤光栅应变和温度传感 器的成活率达到 ９０％以上。在大桥成桥试验和运营 阶段 ， 该监测系统较好地监测了结构的局部应变 ， 为 成桥质量评价和运营阶段的安全评价提供了可靠的 数据。

图１

光纤光栅应变传感器 （ 裂缝计 ）

器 （ 挠度计 ） ［８］， 该传感器具有安装方便、 线性度和重 复性好、 精度较高、 成本低等优点。其最大量程可调 （ 一 般 为 １０ ～ ２０ ｃｍ） ， 精 度 可 达 ０．０１ ｍｍ， 光 纤 光 栅 位移传感器如图 ２ 所示。

图２

光纤光栅位移传感器 （ 挠度计 ）

３．３．２

国外应用案例 （ １ ） 加拿大卡尔加里附近的 Ｂｅｄｄｉｎｇｔｏｎ Ｔｒａｉｌ 大

４．３

混凝土表面应变测试 高耐久性焊接式光纤光栅应变传感器主要应用

桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一 （ １９９３ 年 ）
［４］

于混凝土表面应变测试 ， 该传感器可以根据要求任 意改变标距长度 ， 最小可达 １ ～ ２ ｃｍ， 具有工程布设 简单、 可拆换、 量程大、 耐久性好、 布线方便、 精度高 等突出优点 ， 其主要性能指标 ： 量程 ＞ ５ ０００ Ｍｅ； 精 度为 １～ ２ Ｍｅ； 迟滞系数 ＜ ０．５％ ＦＳ； 重复性＜１．０％ ＦＳ； 灵敏度系数为 ： ７．８× １０－７ Ｍｅ－１； 线性度系数＜ ０．５％ ＦＳ。

， 共 安 装 了 １６ 个 光 纤 光 栅 传 感 器 对 桥

梁结构进行长期监测。 （ ２） 德累斯顿大学的 Ｍｅｉｓｓｎｅｒ 等人将布拉格光 栅埋入桥的混凝土棱柱中 ， 测量荷载下的线性响应 ， 并用常规的应变测量仪器作了对比试验 ， 证实了光 纤光栅传感器的应用可行性［５］。 （ ３） 瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验 室 ， 在瑞士洛桑附近的 Ｖａｕｘ 箱形梁高架桥的建造 过程中 ， 使用了 ３２ 个光纤光栅传感器对箱形梁被 推拉时的准静态应变进行了监测 ， ３２ 个光纤光栅分 布于箱形梁的不同位置 ， 用法布里 － 珀罗滤波器进 行信号解调 。为了获得受损桥梁应变分布的更详
［６］

４．４

钢筋混凝土结构内部钢筋的应变测量 高耐久性封装光纤光栅钢筋计 ， 采用隔离封装

技术 ， 制作的应变传感器对钢筋受力没有加强作用 ， 可以准确测得钢筋混凝土结构中钢筋的平均应变 ， 具有布设方便、 性能稳定、 串连成网、 测试准确、 精度 高、 便于长期监测等优点。

细信息 ， 美国海军研究实验室在一座 １６４ 比例桥梁 模型中埋入了 ６０ 个光纤光栅的传感系统 ， 对模型进 行了破坏测试［７］。

５ 应用光纤光栅传感器的桥梁结构健康监 测系统
桥梁健康监测系统是一个以桥梁结构为平台 ， 应用现代传感、通信和网络技术 ， 优化组合结构监 测、 环境监测、 交通监测、 设备监测、 综合报警、 信息 网络分析处理和桥梁养护管理各功能子系统为一体 的综合监测系统 ， 它实时监测桥梁在各种环境、 荷载 等因素作用下的结构响应 ， 并能有效地提供桥梁养 护管理的科学依据 ， 显著提高桥梁的整体管理水平 ， 从而能够最大限度地确保桥梁安全运营、预诊断桥 梁病害和延长桥梁使用寿命。 梁结构健康监测系统主要由光纤光栅传感器网 ? １９ ?

４
４．１

应用光纤光栅传感器检测桥梁主要缺陷
混凝土表面和钢结构表面的裂纹信息监测 裂纹信息监测主要选用光纤光栅大应变传感器

（ 裂 缝 计 ） ， 该 传 感 器 量 程 可 达 １００ ０００ Ｍｅ， 可 以 直 接用于小于 ２０ ｍｍ 的裂缝监测 ， 精度可达 ０．００２ ｍｍ， 如图 １ 所示。

４．２

位移 （ 或大裂纹 ） 信息监测 大裂纹或位移监测可以选用光纤光栅位移传感

监督检验

光纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用

络与集成系统、 数据处理与存储子系统、 结构安全评 定子系统、 有线／无线远距离传输子系统和远程监测 与数据管理子系统组成。

态和整个监测系统的远程实时监测和管理功能 ， 为 结构的安全运营提供技术保障 ， 实现现场用户和异 地专家对结构进行实时安全评定 ， 提高安全评定的 准确性和可靠性。

５．１

光纤光栅传感器网络与集成系统 桥梁结构健康监测的大规模光纤光栅传感网络

与集成系统一般由光纤光栅传感器、光纤光栅信号 解调仪、 光开关或光合波器、 光纤跳线、 光纤适配器、 传输光缆等部分组成 ， 其中光纤光栅信号解调仪、 光 开关 （ 合波器 ） 与系统软件 （ 包括与结构健康监测系 统数据库的通讯部分 ） 是核心部分 ， 系统构建如图 ３ 所示。

６

结论
桥梁缺陷检测及结构健康监测系统中 ， 传统的

监测方法一般采用在桥梁表面安装应变片的方式 ； 应变片的技术已相当成熟 ， 但暴露出很多不足的地 方 ， 例如 ： 布线繁杂 ， 不易组网 ， 易受电磁干扰等 ； 目 前国内外大量桥梁监测实例表明 ， 光纤光栅传感器 由于测试精度高 ， 耐久性和 重复性好 ， 抗电磁 干 扰 能 力 强， 耐腐蚀性能高， 已经成 为桥梁缺陷检测和结构健 康监测的重要测试手段。它 把原本没有生命的桥梁被 赋予自 感 知 与 自 诊 断 能 力， 对于桥梁的施工和监测具 有重大意义。 随着智能传感技术的 不断成熟 ， 光纤光 栅 传 感 器 解调技术的进步 ， 桥 梁 缺 陷 检测和结构健康监测系统

系统中的光纤光栅传感器主要包括光纤光栅应 变传感器和温度传感器 ， 光纤光栅压力传感器等用 于桥梁结构监测的各种传感器。

的成本将大大降低 ， 其应用前景也将更加广阔。 参考文献 ：
［１］ 王建平 ． 光纤光栅传感器在土木工程结构健康监测中的 应 用 ． 贵
州工业大学学报 （自然科学版 ）， ２００４ ， ３３ （ １ ） ： ７７－ ８０．

５．２

数据处理与存储子系统 整个系统包括数据处理和数据存储 ２ 个部分。

［２］ 乌 建 中 ， 张 学 俊 ． 基 于 光 纤 光 栅 技 术 的 大 型 钢 结 构 安 装 监 测 系
统 ． 中国工程机械学报 ， ２００６ ， ４ （ ３ ） ：３２２－ ３２６．

其中 ， 数据处理是对信号进行 ＦＦＴ、 滤波去噪、 去除 异常值等处理 ； 数据存储是将获得的数据以文本文 件或是二进制文件的形式存储在计算机中或是直接 存储在数据库服务器中以便于日后的数据分析或是 安全评定。

［３］ 周智 ， 田石柱 ， 赵 雪 峰 ， 武 湛 君 ， 欧 进 萍 ． 光 纤 布 拉 格 光 栅 应 变
与温度传感特性及其实验分析 ． 功能材料 ， ２００２ ， ３３（５）：５５１－ ５５４．

［４］ Ｆｒｉｅｂｅｌｅ Ｐ， ｅｔ ａｌ． Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒｓ： ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎｄ ｆｕ－ ｔｕｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｓｍａｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ［Ｊ］． Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅｗｓ， １９９８， （ ９ ） ： ３３－ ３７． ［５］ Ｓｌｏｗ ｉｋ Ｖ ， ｅｔ ａ１． Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｔｅｃｈｎｏ ｌｏｇｙ ［Ｊ］． ＬＡＣＥＲ ， １９９８ ， （ ３ ） ： １０９－ １１９． ［６］ Ｎｅｌｌｅｎ Ｐ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅｓ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｔｅｒｍ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ ｏｆ ｃｉｖｉ１ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ［Ａ］． Ｐｒｏｃ． ＳＰ ＩＥ ［Ｃ］． １９９７， ３０４３： ７７－ ８６． ［７］ Ｋｅｒｓｅｙ Ａ Ｄ， ｅｔ ａｌ． Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｔｏｗａｒｄｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓ ［Ａ］ ． Ｐｒｏｃ． ＳＰ ＩＥ ［Ｃ］． １９９６ ， ２８３９：４０－ ６３． ［８］ 周 智 ， 欧 进 萍 ． 光 纤 光 栅 传 感 器 及 其 在 桥 梁 结 构 健 康 监 测 中 的 应
用．

５．３

结构安全评定子系统 将获得的数据通过相关的模态分析算法分析当

前结构的健康状况。

５．４

有线／ 无线远距离传输子系统 通过有线 ／ 无线网络的搭建实现数据的远 距 离

传输。

５．５

远程监测与数据管理子系统 通过数字信号传输网络 ， 实现对结构的健康状

? ２０ ?



  本文关键词：光纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用，由笔耕文化传播整理发布。