基于FBG傳感器的橋梁結構應變監測

劉安龍，朱緯，魏金龍，周衛豐，肖正興，王彥

（1.馬鞍山市博望區公路管理局，安徽 馬鞍山 243131；2.馬鞍山市縣鄉公路管理局，安徽 馬鞍山 243011；3.安徽省交通建設股份有限公司，安徽 合肥 230000；4.馬鞍山天和市政工程有限公司，安徽 馬鞍山 243000；5.安徽工業大學電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

0 前言

自20世紀70年代以來，光纖傳感技術在世界范圍內得到迅速發展與應用，其中在橋梁結構健康監測方面就是一個典型的示例。目前，世界上使用較為普遍的傳感器有光纖光柵傳感器和光纖法珀傳感器。光纖法珀傳感器是將兩個單模光纖的端面加工成鏡面形成反射面，裝入一個密封玻璃管內，并使它們嚴格平行、同軸，形成一個光纖法珀腔[1]。當一束光通過光纖入射到法珀腔內時，會在兩邊光纖端面分別反射并按原路返回。當外界產生應變，進而會改變輸出光強和波長的分布，通過光纖法珀應變解調儀解調，由光強和波長的變化得到混凝土結構應變量。光纖光柵傳感器作為發展最為迅速的光纖傳感器在許多重要領域得到應用,其中傳感器就有多種：溫度傳感器、位移傳感器、應變傳感器等[2-3]。

其中光纖光柵傳感器在橋梁的安全監測領域的應用最為廣泛。早在1996年，Davis.M.A在美國新墨西哥州立大學的橋梁模型上安裝了60個光纖光柵傳感器，對橋梁的動態響應進行了測量[4]。2003年，40個FBG傳感器分成3組安裝到青馬大橋[5]，主要目的是監測在汽車和火車荷載作用下的應變值。2005年，同濟大學研究小組在東海大橋主航道橋上安裝了34個光纖光柵傳感器，監測了跨中節段的整個施工工程[6]。本文通過在橋梁模型中模擬光纖布拉格光柵的應變監測，說明光纖光柵傳感器在橋梁結構健康監測中的應用。

1 光纖布拉格光柵（FBG）傳感器

1.1 FBG基本原理

FBG是一種纖芯折射率周期性變化的光纖。在纖芯內形成的空間相位周期性分布的光柵，實質就是在纖芯內形成一個窄帶的濾波器或反射鏡[7]，如圖1所示。

圖1 光纖布拉格光柵原理圖

其中反射波長與纖芯的有效折射率以及光柵的周期的關系如下：

式中，（λ）_B為FBG的中心波長，Λ為光柵周期，n_eff為纖芯有效折射率。光纖光柵傳感器的中心波長與介質折射率有關,會隨著溫度、應變等一些參數的變化而變化。圖2為光纖光柵傳感器的原理圖。本文所使用的是實驗中使用的解調系統為BaySpec公司的FBGA快速解調儀。

1.2 應變的測量

FBG的波長受到光柵周期以及光柵纖芯有效折射率的影響，而實際運行中，待測物體的應變、溫度等因素的變化會改變光柵周期以及纖芯有效折射率，從而FBG的波長會對應的發生改變，稱為布拉格中心波長漂移量[8]。這里由于應變產生的布拉格中心波長漂移量：

（式中，P）_e為有效彈光系數，Δε為應變變化量，K_ε為FBG的應變靈敏系數。對于普通單模石英光纖，P_e約為0.22，靈敏系數高，在結構檢測中范圍大，有很好的線性輸出。

圖2 光纖光柵傳感器原理圖

2 FBG傳感器在拱梁組合體系橋梁中應變監測

2.1 橋梁模型結構分析與監測內容

本文所用的模型橋屬于拱梁組合體系橋梁，是根據實際橋梁按1∶500比例建成的，橋的跨徑400cm，橋寬32cm,凈寬22cm，實際橋梁長度約1576m。主拱肋跨徑235cm，立面矢高44cm，副拱肋立面矢高27cm，主副拱肋之間設有連桿，共27對，間距10cm。橋面板采用ABS工程塑料鋪設而成，橋面底部考慮試驗設備的安裝，加強筋尺寸約10cm×20cm。由于實驗室溫度恒定，故可以排除溫度對傳感器波長的影響。雖然橋梁由于自重產生應變，但在車輛通過橋面時，車輛壓力使橋面產生的應變效果要更為明顯，所以傳感器的檢測結果就是車輛在通過橋梁時，橋梁所產生的應變。

圖3 橋梁結構模型

2.2 橋梁模型的受力分析與傳感器的布設

在橋梁結構健康監測中，對橋梁的結構和受力分析尤為重要，它決定了傳感器的選擇和布設。而傳感器的選擇和布設又影響橋梁結構健康監測結果的質量，因此，進行傳感器的最優數目選擇和測點定位優化設計是必要的。在實際運用中，最優良的設計是通過使用盡可能少的傳感器來獲取最全面可靠的橋梁信息[9]。

根據橋梁模型結構分析與監測內容結果表明，由于橋梁本身自重的原因會出現正彎矩現象，并且在梁的正中位置正彎矩最大。在車輛通過橋梁的中間位置時，由于車輛的壓力和橋梁本身的自重，橋梁應變最為明顯，形變幅度最大，為負載最不利的地方，故應該在此處加強應力重點監測，多布設傳感器。車輛位于橋梁的±1/4處時，由于拉桿拉力和橋墩的支持力效果明顯，此處橋的應變逐漸減小，但應變效果依舊明顯，此處應該布設較多的傳感器。而當車輛通過橋墩處時，橋梁幾乎不發生應變，相對比較平穩，此處應該較少的布設傳感器。綜上所述,為了本次實驗的嚴謹性，本次實驗分別在橋梁面的1/2布設兩個應變傳感器，在±1/4處各布設一個應變傳感器。

2.3 FBG應變傳感器

本文檢測環境是在橋梁模型中實現的，橋梁模型相較于實際橋梁較小，故不使用實際現場的長標距FBG應變傳感器[10]，而采用的是Acrylate SMF-28e類型光纖，其中心波長為1550.058nm,帶寬為0.186nm，邊模抑制比為21.63dB，反射率為94.98%，柵區長度為10nm，兩端尾纖長度為1/1m。傳感器結構如下圖4所示，將刻有布拉格光柵的纖芯段去掉包層和保護層，直接裸露在外界。在粘貼時，為保護纖芯不被折斷，應先將纖芯兩端的保護層部分輕輕拉平粘貼固定于指定位置，再將纖芯部分中心段固定粘貼于待測區。同時，為了避免光信號在傳輸中的損耗，以纖芯為中心，將兩端的保護層每隔8cm粘貼固定，各邊至少粘貼固定2次。

圖4 應變傳感器結構圖

2.4 橋梁數據采集與分析

為驗證FBG可應用于橋梁結構健康監測系統，將其應用于模型橋梁結構監測現場。FBG光纖傳感器直接將傳感信息傳輸到光纖解調儀中，將光纖解調儀與PC連接，經過光纖解調儀解調的信息最終在PC終端以圖文方式顯示。

圖5 模型橋數據采集框架圖

在傳感器安裝完畢之后即對數據進行采集，設置采集頻率為1Hz，采集時長為15s。通過PC終端數據采集后，經MATLAB數據處理制成圖譜。

2.3.1 1/4處應變

如圖6所示，可以看到在車輛通過橋梁1/4時，產生應變，傳感器接收信號，波長發生偏移，最大偏移量接近9pm,當車輛駛離1/4處時，波長逐漸恢復，與現場狀況符合，檢測結果可以很好的表現橋梁事實狀況。

圖6 橋梁1/4處傳感器波長變化量-時間圖譜

2.3.2 1/2處應變

如圖7所示，可以看到傳感器中心波長開始已經發生微弱偏移，一段時間后中心波長偏移量瞬間變大，隨后逐漸恢復。觀察現場可知，當車輛未行駛到橋梁1/2處時，由于橋梁橋面板是一個整體，產生共振，在車輛駛入橋梁時，整個模型橋都有微小震動，傳感器接收信號，波長發生微弱偏移。當車輛行駛至橋梁1/2處，應變效果明顯，中心波長瞬間變化，最大偏移量接近33pm。

通過比對兩組圖譜，可以看到位于1/2處傳感器中心波長偏移量大于位于1/4出傳感器中心波長偏移量，這也間接證實了由于橋梁自重和橋梁結構受力，位于橋梁1/2處的應變最為明顯，與實際情況符合。所以再次可以證明FBG傳感器可以用于橋梁結構應變監測。

圖7 橋梁1/2處傳感器波長變化量-時間圖譜

3 結論

隨著光纖傳感技術的快速發展，光纖傳感技術已經應用于各個領域。本文提出了一種基于FBG傳感器的橋梁結構健康監測系統，通過在模型橋梁中搭建橋梁結構健康監測現場，采用FBG應變傳感器對模型橋梁關鍵部位進行結構應變監測，并進行數據采集與評估。該系統的設計充分考慮了實際橋梁的結構特點、運營狀況，以及監測設備的穩定性和靈敏性的因素，確保橋梁應變監測系統可靠運行。在數據采集之后，通過對數據的分析和對現場的觀察，可以發現FBG傳感器可有效穩定地監測橋梁狀態變化，為橋梁安全評估技術提供數據支持，適合橋梁長期實時監測的需要。

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