两类光纤传感器在道路结构内部病害监测中的应用

0 引言

近年来，光纤传感器技术发展迅速，相比其他传统技术，其具有精度高、抗干扰能力强、耐久性好和适用范围广等优点，其中应用较多的是光纤布拉格光栅（简称FBG）传感器和分布式光纤传感器。

本文从路面内部裂缝和路基沉降变形监测两方面出发，简述了两类光纤传感器在道路结构内部病害监测中的应用，分析评价了它们的适用情况，并针对该领域存在的问题进行总结与展望。

1 路面结构内部裂缝监测

水泥混凝土路面内部钢筋的锈蚀会引起结构的膨胀开裂，从而降低混凝土的安全性能和使用寿命。传统的超声波反射等无损检测方法虽然可以检测出结构内部钢筋的腐蚀状态，但无法反映钢筋的早期腐蚀及其动态发展过程。Hu等开发了用于钢筋腐蚀监测的Fe-C涂层FBG电化学传感器，可根据布拉格波长的偏移量来反映Fe-C层的腐蚀程度及变化情况。Fan等对钢筋水泥混凝土试件进行了模拟电化学腐蚀试验，通过缠绕在螺纹钢筋上的分布式光纤传感器（简称DFOS）记录了腐蚀过程中钢筋段膨胀应变的累积情况。试验结果表明膨胀应变的积累历程可分为3个阶段，与电化学腐蚀过程相对应。通过应变计算出的各位置钢筋的质量损失与体积膨胀量，可用于预测混凝土覆盖层的开裂。

张睿等研究了光纤传感器在沥青路面内部裂缝监测中的应用，对粘有FBG传感器的沥青混合料梁试件进行了分级加载实验，实验表明传感器记录的应变数据可较好地反映梁底裂缝的发展过程。钱振东等采用布里渊光学时域分析（简称BOTDA）分布式光纤传感技术对钢桥面沥青混凝土铺装层疲劳裂缝的发展规律进行了研究，利用其监测了三点弯曲疲劳试验中铺装结构的裂缝扩展过程，建立了实测响应与裂缝扩展速率的转换模型。

相对于分布式光纤传感器，FBG传感器不易受湿度和pH值等环境因素的影响，具有高光学功率和可调激光源的探询装置，在感知外界信息时有着更高的灵敏度。此外，由于光纤布拉格光栅固有的波长特性，即便光纤的弯曲变形会造成信号衰减与损耗，传感器测得的结果仍然能够保持较高的准确性。因此，FBG传感器更适合于钢筋弯起和捆扎等局部关键位置处的监测。

2 路基变形监测

由于地质水文和外部荷载等作用的影响，使得部分路基发生滑移、隆起和沉降等变形，长此以往会导致路面结构产生破裂和塌陷等一系列问题，因此有必要对路基变形进行监测。Xu等开发了一种柔性梁FBG传感器，利用有限差分与数值积分法处理梁上多个传感器的应变数据来得到土体的位移，实现了路基边坡滑动时土壤位移的动态监测。Sun等基于分布式光纤传感技术开发了一种信息感知系统，通过收集边坡应力、温度和变形等信息来评估边坡的稳定性和滑坡变形的风险。Dong等将脉冲预泵布里渊光学时域分析（简称PPP-BOTDA）理论应用于地基沉降监测中，通过分布式光纤传感器中布里渊散射光的频移来监测光纤轴向应变和温度的变化情况，利用光纤变形量与土体位移的几何关系推导出路基的隆起或沉陷变形值。该方法可实现应变和温度的连续测量，覆盖范围和精度都得到了很大的提升。

路基属于大型基础结构，其变形和破坏的发生位置具有很强的隐蔽性和随机性，FBG等准分布式传感监测方法虽然可以直接获得变形信息，且具有较高的精度，但需布置大量的传感器以覆盖所测范围，这将导致集成监控系统产生高昂的施工与维护成本，亦会加大数据处理难度。而分布式光纤传感系统可通过串联的光纤来实现远距离大范围内的实时监测，经一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量物体振动、应变和温度等信息。相比之下分布式光纤传感系统的施工维护相对更简单，在信息收集方面效率更高，因此更适合于路基的变形沉降监测。未来可将分布式光纤传感系统与光学频域反射等技术相结合，提高监测的空间分辨率和精度。必要时可将分布式光纤布置成纵横交错的网状结构，实现对路基的全方面动态监测。

3 智能传感技术在实际应用中的问题

从国内外大量的应用研究来看，光纤传感技术应用于道路内部病害的监测当中是可行的，国外在许多地方进行了现场应用，实现了对部分场合传统识别监测方式的替换。我国的光纤传感技术虽然有了一定的发展，但尚未形成在道路工程中的完整应用体系，仍存在一些问题：

（1）传感设备在安装与运行过程中不可避免地受高压、高温和湿度等的影响，设备可能发生损坏而失效。这些高精度敏感元件本身不能够承受复杂的外界作用，因此有必要设计保护外装置和优化施工布设方案，在不过多影响道路结构整体性能的前提下保障传感元件的长期服役性能。

（2）光纤传感器的感知结果，能否反映道路结构内部病害真实状况。不同类型的光纤传感器在运行机制与识别精度上有着较大的差异，在长期使用过程中容易产生大量的噪音数据引起误差累积。因此，有必要升级传感技术，研究精度更高、更耐久和更抗干扰的光纤传感设备；在数据收集过程中可建立预处理机制，消除过滤掉多余的数据噪音；溯源误差累积传递机理，降低误差并控制其传播，确保数据的可靠性。

（3）道路结构内部裂缝的形成和发展是一个复杂的长期过程，如何保证传感设备稳定地工作成为了关键问题。可将自供电技术与光纤传感技术相结合，通过收集道路环境中过剩的机械能、风能和热能等并加以转换以实现对光纤传感设备的供能，从而降低有线供电的生产维护成本。

4 结语

光纤传感器的选择和应用应与路面结构的实际行为响应相结合，要根据道路结构内部病害的形成和发展特性来选择光纤传感设备的类型、布置方式及信息反馈处理方式等，从而实现更高效和更精准的感知识别。现有研究大多采用“室内试验+软件模拟”的方法来验证光纤传感器的实用性，缺乏真实环境和荷载的作用，因此有必要加大现场实验研究力度。

责任编辑：lq