閱讀 3124 次 FBG傳感器在橋梁健康監(jiān)測中的應用研究

FBG傳感器在橋梁健康監(jiān)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(shè)的逐步發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測技術(shù)越來越受到廣大工程技術(shù)人員的關(guān)注。橋梁健康監(jiān)測的實質(zhì)，即通過對橋梁結(jié)構(gòu)的無損檢測、實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對結(jié)構(gòu)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(fā)出預警信號，為橋梁的維修養(yǎng)護與管理決策提供科學依據(jù)和指導。

從目前的發(fā)展來看，用于橋梁健康監(jiān)測的硬件設(shè)施越來越先進。而作為橋梁健康監(jiān)測的一種重要的工具和手段，高性能的智能傳感器在監(jiān)測系統(tǒng)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(xiàn)代光纖無源器件之一，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，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)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(zhì)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(jié)構(gòu)和構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)等眾多優(yōu)點。同時，作為傳感元件，它還有一個最為突出的優(yōu)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(xù)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(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，這對于目前橋梁健康監(jiān)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(fā)展起來的一門新技術(shù)，是隨著光導纖維實用化和光通信技術(shù)的發(fā)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(shè)原則

    橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的基木功能是通過傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)的，合理布置傳感器是保證結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)運行質(zhì)量的前提。本著“從狀態(tài)評估的需要出發(fā)，以有效和經(jīng)濟為主，使測點能夠發(fā)揮最大效應”的原則，應綜合考慮結(jié)構(gòu)計算分析結(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)濟性等多方面因素。

    傳感器的優(yōu)化布設(shè)問題是基于隨機振動的大跨度橋梁的健康監(jiān)測技術(shù)，其有效性首先建立在模態(tài)試驗的好壞上，而傳感器的類型、位置和數(shù)量對試驗結(jié)果起決定作用。采用實時監(jiān)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(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(shù)據(jù)核實。反復修正的結(jié)果，才能作為監(jiān)測的模型。

    1.3.2合適的監(jiān)測參數(shù)

    確定需要而且可能檢測的參數(shù)，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(zhì)材料的區(qū)間應變、外界環(huán)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(gòu)件的振動頻率、一階振型等。

    1.3.3恰當?shù)谋O(jiān)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(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)測結(jié)果可信度的基礎(chǔ)。

    1.3.5經(jīng)濟效益

    應綜合考慮監(jiān)測效果與費用等因素，確定傳感器的數(shù)目及布設(shè)方案，進行功能與成本的優(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；二要保證傳感器的使用壽命滿足對結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測。

    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)測施工過程中材料內(nèi)部的變化過程或者建成后結(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

    在光纖光柵應變測試系統(tǒng)中，FBG傳感器獲取的穩(wěn)定、高精度應變信號，通過光纜遠程傳輸送入調(diào)制調(diào)解器，然后直接輸人計算機信息處理系統(tǒng)，利用橋梁結(jié)構(gòu)狀況評估的專家系統(tǒng)，對橋梁結(jié)構(gòu)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(lián)網(wǎng)及時傳輸至橋梁管理部門，從而可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測的信息化管理。特別是從光纖傳感器到、解調(diào)器之間的距離可達5km以上，橋梁現(xiàn)場到解調(diào)器之間僅需一根光纜連接，能實現(xiàn)橋梁的分布測量和集中監(jiān)測處理。

    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)場難于保護的缺點，便于保養(yǎng)和維修，從而提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和易維護性。

2.結(jié)束語

    FBG傳感器所具有的特點使其在橋梁健康監(jiān)測方面具有廣闊的應用前景，特別是其能夠埋入混凝上結(jié)構(gòu)或復合材料結(jié)構(gòu)中，這是傳統(tǒng)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(shù)據(jù)采集設(shè)備所需的通道數(shù)量，從而降低了測試成本，并能夠?qū)崿F(xiàn)對待測物理量的分布場值的測量。光纖傳感器使得監(jiān)測系統(tǒng)能夠更方便地實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的遠程監(jiān)測和控制。

    基于FBG傳感測試系統(tǒng)能夠建立起完善的橋梁在線健康監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對橋梁的在線、不間斷監(jiān)測。從技術(shù)角度而言，該系統(tǒng)具有安全運營監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的建立、存儲、數(shù)據(jù)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(tǒng)自身運行可靠、傳感元件壽命長、便于維護保養(yǎng)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(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)