土木工程结构中光纤传感器的应用

摘要：将光纤传感元件及形状记忆合金等驱动元件埋入传统土木工程结构中，用以测量结构强度、损伤、变形及施工质量，并结合信息处理系统，使土木工程结构实现智能功能，可对结构信息自动采集及分析处理，进而使土木工程结构具有自检测、自适应、自诊断、自修复等功能。本文较深入地探讨了目前光纤传感器类型及特点，通过回顾国内外土木结构中光纤传感系统相关应用，对光纤传感技术应用于土木结构的发展前景进行了展望。

杭州泓源数字科技有限公司-杭州泓源数字科技有限公司 (hongyuandata.com)专业高精度光纤传感。

1. 前言

在国际上智能结构系统逐渐成为近年来的一个新兴前沿多学科交叉研究领域，主要是在基体材料融合仿生命功能材料，使其结构具有智能功能。智能结构将传感与控制系统相集成，可实现自我感知、诊断及调节，进而使结构能够恰当反应变化的内部状态和外部环境激励。传感系统在智能结构中与人体神经元相当，执行系统与肌肉相当，控制系统与大脑相当，这与传统工程结构的生命特征相符。目前，智能结构研发应用备受世界关注，并在八九十年代相继开展了很多的基础研究及应用。

2. 土木工程结构监测

土木工程结构及重大基础设施设计通常都需要较长的基准期，使用较为恶劣的环境，因此在应用过程中，受疲劳效应、环境荷载及老化的腐蚀材料等因素的不利影响，结构将难免受到积累损伤与衰减抗力，严重的还将引发灾难性突发事故。为此，需要土木工程结构具有示警或对失事进行感知的智能功能，进而在失事前利用感知系统对结构内部状态变化进行感知，以便及时作出预警或自动加固结构及修复，以及时修复结构中潜在问题。如同人骨折后，将骨缝对好，断骨结合将自愈合的功能。

土木工程结构和重大基础设施通常跨度长、体积大、分布面广且使用较长时间，传统传感器件构成的监测系统在性能耐久稳定、分布范围等方面还有待于不断完善以适应工程所需。所以，针对土木工程结构特点研制的智能型传感系统应具有感知材料高性能、灵敏稳定等特点，以达到诊断评定大型土木工程结构的实际需求。

3. 光纤传感器

常用传感材料在智能结构系统中主要采用光导纤维及形状记忆合金等材料，因光导纤维材料柔韧、具有较低价格、较细直径、较小体积和能耗、较高灵敏度、较轻质量、较强抗电磁干扰能力、耐高温、抗腐蚀、检测方便、信息传输和传感集于一体等优点，智能结构系统中被认为是一种首选传感材料，并在土木工程结构中广泛应用。在土木工程结构中将光纤传感器埋入，利用对光强、相位等传输特性的分析，可获得光纤周围材料的有关参数变化，进而实现实时、动态监控土木工程结构的健康状态，为人工智能和神经网络技术的应用打下坚实基础。

光纤在传感器中一般都是由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套构成。纤芯及包层的折射率不同，树脂涂层具有保护作用，尤其是混凝土中埋入光纤时，可避免光纤收到环境侵蚀。而应变传感器因树脂一般都具有较低的弹性模量，影响混凝土应变传向光纤，所以应采用较薄的涂层，或具有较大弹性模量的树脂。光纤塑料护套保护光纤使其在混凝土中便于埋入，并实现传感的分布式和复用传感器。

光纤传感器一般可分为本征和非本征传感器两种。在本征传感器中，光纤受外界待测量作用而引起参量变化，进而调制光纤中传播的光波参量，再将调制信号利用光探测器和检测电路向电信号转换。光纤作为敏感元件具有传感光的作用，也被称为功能性光纤。在非本征传感器中，只利用光纤传光功能，将其它类型敏感元件和装置外配，因此属非功能性光纤传感器。在检测诊断土木工程结构中，这两种光纤传感器的应用前景都比较广。

4. 国内外光纤传感器的研究及应用

美国布朗大学的门德斯等人于1989年首先提出在混凝土结构中采用光纤传感器进行健康检测。随后，加拿大、英德等国研究人员也相继在土木工程中开展了光纤传感系统的应用研究工作，比较突出的就是美国韦尔蒙特大学的研究成果。我国也有很多科研机构开展了有关研究工作，以重庆大学等单位的研究成果为主要代表。尤其是提高近年来的研究，在桥梁、建筑结构、水坝等大型土木工程结构中埋入光纤传感器的报道不断涌现，主要用于对结构的应力、应变及损伤等情况的检测，并获得良好结果。诸如因桥梁结构一般具有较大跨度，因此桥梁结构安全备受关注。所以在此也相继投入较多的研究力量，取得较为突出的研究成果。主要思路是将光纤传感器埋入或粘贴在桥梁结构，通过对光纤传感系统对桥梁荷载及其在荷载作用下效应的检测，实现对桥梁结构安全性的科学客观评价。

1989 年，在美国州际公路桥上将光纤振动传感器粘贴路桥结构上用于对桥共振频率的检测；1992年，德国一城市将光纤传感器埋入桥梁上下表面用于对桥梁应变、裂缝及腐蚀情况的检测，从而对桥梁安全状况进行评估；1994年，德国在柏林市区将光纤干涉应变传感器粘贴在一桥梁的钢筋上，用来对钢筋在车辆通过时发生变形和振动情况的测量；之后，又建成第一座采用预应力碳纤维复合材料和钢筋结构的桥梁，将光纤布拉格光栅应变传感器加入碳纤维中，用于对损失碳纤维预应力的检测。美国曾将约6.5公里长的光纤埋入水电大坝中，用于对水坝振动、坝面水压力和流速的检测。充分利用互联网资源共享功能，任一国家都充分利用大坝光纤传感系统数据文件，对水坝安全状态等开展深入探讨，这都可能是未来土木工程结构状态信息处理的发展趋势。

5. 土木工程结构中光纤传感技术的发展前景

在传统土木工程结构中应用智能材料结构系统进行健康检测诊断还处于一个新型研究领域，它将主要采用人工目视检查的手段彻底改变，使检测技术实现自动化。但因受过去相关研究工作基础所限，而且在土木工程结构中难以研究其传感原理，传感及数据处理系统经济性等问题也在一定程度上影响该领域的研究工作。但随着基础研究的深入开展，选择适宜的检测参数，在土木工程结构中应用光纤传感材料与系统具有比较广阔的前景，这对传统土木工程学科带来难得的机遇，也必将产生客观的经济社会效益。

文章来源：鼎达信装备

审核编辑 黄昊宇