光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的運用

張杰

(湖南省交通科學(xué)研究院,湖南長沙 410015)

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光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的運用

張杰

(湖南省交通科學(xué)研究院,湖南長沙 410015)

摘要:在基礎(chǔ)設(shè)施的維護中,橋梁因其獨特的建筑作用而備受關(guān)注。與傳統(tǒng)電檢測技術(shù)相比,光纖傳感器可提高橋梁動測中的數(shù)據(jù)精度。文中結(jié)合光纖傳感技術(shù)的原理、工具和技術(shù)特點,對光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用進行了闡述。

關(guān)鍵詞:橋梁;光纖傳感技術(shù);檢測

距離長、跨區(qū)域廣、造價高是當前城市橋梁建設(shè)的特點,檢測和維護是保證橋梁正常使用的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的橋梁檢測以電檢測技術(shù)為主,受困于電磁干擾、潮氣侵蝕等,傳感器無法長期固定在橋梁上,造成極大的資源浪費,也增加了檢測的時間成本。近年來,光纖傳感技術(shù)由于使用光纖作為傳輸媒介,有效解決了上述問題,在橋梁檢測、隧道檢測等方面得到有效運用。

1 光纖傳感技術(shù)原理

1.1 光纖傳感器

光纖傳感器分為三部分,即光源、光纖與探測器。光源負責向光纖發(fā)射光,經(jīng)過光纖傳輸?shù)秸{(diào)制區(qū)域。在這個區(qū)域,光開始與被檢測的橋梁部位相互作用,使得光源的強度、相位、頻率、偏振態(tài)、波長等參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)變化,把普通光轉(zhuǎn)變成特殊信號,經(jīng)過探測器接收與分析形成數(shù)字匯報。光纖是傳感器的主要傳輸材料,具有規(guī)劃和引導(dǎo)光源傳輸路徑的作用,還能在一定程度上承擔測量任務(wù),效率遠高于其他材料。光纖的纖芯被包層、樹脂、塑料層層覆蓋,形成有效的絕緣體和保護層。以材料標準分類,傳感器使用的光纖可分為玻璃光纖和塑料光纖兩類;以折射率標準分類,可分為階躍折射率光纖、梯度折射率光纖兩種。

光纖傳感器一般分為點式光纖傳感器、積分式光纖傳感器和分布式光纖傳感器,不同點在于其檢測范圍和精度不同。相對于前兩種傳感器,分布式傳感器最常見,其主要原理是通過散射返回的能量反映光纖分布的變化參數(shù),集合了時域反射、干光頻域反射及非相干光頻域反射等技術(shù),可在不進行爆破、破壞的情況下迅速掌握橋梁的各種參數(shù)、變動和具體位置。

1.2 光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的差別

傳統(tǒng)的橋梁檢測采用電檢測技術(shù),主要原理是在橋梁的部分關(guān)鍵位置安裝電阻應(yīng)變片進行感應(yīng)測試,利用電阻應(yīng)變片與電阻變化之間的規(guī)律進行測量,幫助探測器進行數(shù)據(jù)分析和結(jié)果統(tǒng)計。它以應(yīng)變-電量為依據(jù),將電信號作為傳輸?shù)拿浇?通過導(dǎo)線進行傳輸信號。這種方式存在許多不足之處:易受當?shù)丨h(huán)境的影響,如當空氣濕度較大時,會使電阻增大,造成短路等;容易造成各種事故,如由于高溫、電路老化等問題造成火災(zāi)、爆炸等事故。

光纖傳感器的主要傳輸媒介是光信號,傳輸工具是光纖。相比于傳統(tǒng)傳感器,光纖傳感器在材質(zhì)、后患、靈敏度上都有較大進步。光纖由絕緣媒介石英玻璃制成,不僅能有效絕緣,還可耐高溫和腐蝕,面對復(fù)雜的外界環(huán)境進行檢測;此外,光纖傳感器不會對橋梁產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)性傷害,由于其體積小、重量輕,可對許多復(fù)雜的橋梁進行實地檢測,做成形狀符合檢測要求的傳感陣。同時,在抗干擾能力上,光纖傳感器在傳輸介質(zhì)上也占據(jù)很大優(yōu)勢,影響范圍大,靈敏度和分辨率高。

1.3 光纖傳感器的技術(shù)特點

光纖傳感器在橋梁工程檢測中得到了廣泛應(yīng)用,研究和工程應(yīng)用表明其具有如下特點:

(1)操作性好,防干擾性強。光纖傳感器進行橋梁檢測不易受其他因素的干擾,且光信號在傳輸中不會與電磁波發(fā)生對沖,也不受外界噪聲的影響。

(2)光纖具有很好的柔韌性,光纖傳感器可根據(jù)現(xiàn)場檢測需要做成不同的形狀。

(3)光纖傳感器的測量頻帶寬,且動態(tài)響應(yīng)范圍大。

2 光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用

2.1 檢測橋梁振動

利用光纖傳感技術(shù)檢測橋梁振動,可得到橋梁工程整體或部分的振動參數(shù),如頻率、振幅等。檢測措施為:將信號光纖附著在橋梁表層或埋入橋梁內(nèi)部,光纖可隨著橋梁的振動而發(fā)生振動響應(yīng),終端所輸出光的某些具體參數(shù)的周期發(fā)生相應(yīng)變化,光電探測器接收到的光強也作同樣的周期性變化,處理系統(tǒng)將所接收的振動信號進行FFT(Fast Fourier Transform)分析后,即可得到橋梁最終的振動頻率及周期。

2.2 檢測橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變情況

橋梁的內(nèi)應(yīng)力是工程能否正常使用的主要評價參數(shù)之一,在橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測上必須做到細致入微。當前,橋梁內(nèi)應(yīng)力檢測使用的常見器材為F-P光纖傳感器及光纖布拉格光柵傳感器。前者可用于橋梁局部工程的應(yīng)力檢測,后者則用在橋梁工程的分布應(yīng)力監(jiān)測上。山東省濟南黃河公路大橋是黃河中下游跨度最大的橋梁,日均車流量近4萬輛次。使用F-P光纖傳感器對其進行靜、動態(tài)測試,結(jié)果顯示,光纖傳感器的分辨率可達到0.13με,完全滿足橋梁靜態(tài)、動態(tài)檢測要求,可很清楚地顯示各種車輛在以同一速度通過橋梁時橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化。

2.3 砼結(jié)構(gòu)檢測

砼是橋梁的筋骨,在經(jīng)過長時間的侵蝕、使用后會產(chǎn)生裂縫等。根據(jù)裂開的程度,砼裂縫可分為貫穿縫和深縫(0.2～0.3 mm)兩類。貫穿縫的出現(xiàn)直接破壞橋梁的整體安全性,極大降低了橋梁的承載能力。裂縫是產(chǎn)生橋梁坍塌事故的主要隱患,按損傷物理學(xué)的研究,工程破壞是結(jié)構(gòu)損傷積累到一定程度的表現(xiàn)形式,也就是說裂縫是橋梁內(nèi)部損傷達到危險程度時釋放的一種信號,對這種信號的檢測可加強橋梁的安全預(yù)警。

光纖傳感技術(shù)在砼檢測上具有傳統(tǒng)電檢測技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢:它可在橋梁的整體控制上實現(xiàn)分布式檢測,克服了電檢測在控制上的空間不連續(xù)問題,且不會出現(xiàn)漏檢、漏報險情的現(xiàn)象。光纖傳感技術(shù)架設(shè)方便、簡易,不會對埋設(shè)部位砼造成傷害,也不會影響砼的性能和力學(xué)參數(shù)。在檢測過程中,其傳輸穩(wěn)定性可最大程度地輸出真實的數(shù)值,并且能和光纖傳輸系統(tǒng)集成合作,一同組合成遙測自動化系統(tǒng)。

2.4 其他檢測

當今的橋梁檢測項目繁多,除上述檢測項目外,光纖傳感技術(shù)還可應(yīng)用在橋梁的受力結(jié)構(gòu)附件的檢測上,如懸索橋主纜、吊桿、系桿、拱橋系桿等的檢測;也可檢測土木工程結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)件,如錨索、錨桿等。上述構(gòu)件的檢測值、大小及分布變化可準確反映橋梁的使用性能。

3 結(jié)語

光纖傳感器成本低,適用于長距離、大型橋梁工程的檢測和預(yù)警,也可應(yīng)用于其他大型工程檢測。隨著光纖檢測技術(shù)的不斷發(fā)展,橋梁健康監(jiān)測也更加容易,為橋梁長期、實時的安全檢測奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時,光纖傳感技術(shù)有助于推動橋梁結(jié)構(gòu)研究的深入,使橋梁設(shè)計更合理、更完善。光纖傳感技術(shù)具有眾多優(yōu)點,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期:2015-11-20

中圖分類號:U446.2

文獻標志碼:B

文章編號:1671-2668(2016)02-0203-02