光纖光柵傳感器在吊索健康監測中的應用

謝永宏，黃曉燕，蔣波，馮維一，方玄

（江蘇法爾勝光電科技有限公司，江蘇 無錫 214400）

1 前言

懸索橋、斜拉橋和拱橋的纜索是橋梁體的關鍵受力結構，其性能已成為橋梁設計、施工、使用期限和安全性能等方面決定性因素。纜索的損傷如不能及時得到檢測和維護，往往因腐蝕、風振以及車輛通行造成局部疲勞，導致纜索使用壽命縮短甚至斷裂，輕則影響行車安全，重則導致橋梁突然倒塌。因此，隨著國內外跨海跨江的超大型橋梁對纜索性能要求的不斷提升，建立一套針對橋梁纜索的智能在線監測系統顯得尤為迫切。

橋梁健康監測系統綜合了現代傳感技術、信號分析與處理技術及橋梁結構分析理論等多個領域的知識，提高了預測評估的可靠性。我國在該領域的研究起步較晚，1997年竣工的香港青馬大橋建立了規模較大的橋梁健康監測系統。2006年，姜德生等人研制了光纖光柵錨索測力環，并在武漢晴川橋換索施工過程中實時監測索力狀況。2010年，法爾勝研制了一種具有特殊減敏結構的新型智能纜索，將光纖光柵應變傳感器和溫度傳感器布置于纜索連接筒內部，實現了索力及溫度的實時在線監測。

綜上，大型橋梁健康監測系統的發展方向主要集中在傳感器的結構優化布設、多參量實時監測、損傷識別的自動診斷、橋梁承載能力和結構可靠性分析等方面。因此，通過理論與試驗研究，開發一套能夠對橋梁纜索的結構應力和溫濕度等多參數實時監測的系統，實現傳感器小型化布設，并進行橋梁纜索的安全評級和健康自動診斷。

2 光纖光柵傳感器

本文是基于光纖光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）傳感技術來測量橋梁纜索索力和溫濕度值。光纖光柵波長的變化與應變成線性關系，根據這一特點，設計出纜索內置使用的光纖光柵應變傳感器、索力傳感器實物圖，如圖1所示。光纖光柵溫度傳感器是利用熱漲冷縮效應對Bragg光柵伸縮變化的關系設計的。光纖光柵濕度傳感器是利用含氟聚酰亞胺薄膜及光纖光柵二者的優點，把聚酰亞胺涂覆于光纖光柵表面，根據含氟聚酰亞胺吸濕和脫濕過程的膨脹或收縮，使得光纖光柵產生軸向變形，從而間接測量出環境濕度變化，溫濕度傳感器實物圖，如圖2所示。

圖1 光纖光柵索力傳感器

圖2 光纖光柵溫濕度傳感器

3 光纖光柵傳感器測試

先對制備好的光纖光柵溫濕度傳感器進行濕度測量，將濕度發生器的溫度固定在20℃，在20%～90%RH濕度范圍內，每隔10%的濕度記錄一次實驗數據，每次測量前，恒定時間為30分鐘，使其處于穩定的工作環境，減小實驗誤差，提高實驗數據的可靠性，并重復以上步驟3次。相對濕度增加過程的實測波長變化，如圖3所示。隨著相對濕度增加，波長逐漸增大。

圖3 不同濕度下的波長變化

實測得到的誤差值最大為2.8%RH，三次測量的誤差平均值分別為1.3%RH、1.5%RH和1.7%RH。

測量完傳感器的濕度后，對其進行溫度響應測量。將測試環境的濕度固定在25%RH，為避免溫度過高引起水分蒸發，從-30℃開始到80℃，每隔10℃進行一次數據記錄，并重復3次。如圖4所示，隨著環境溫度的上升，傳感器的波長值也隨之增大，且重復性很好。

圖4 不同溫度下的波長變化

溫度的實測溫度和計算溫度的誤差值最大為0.32℃，三次測試的平均誤差值分別為0.13℃、0.10℃和0.14℃。

最后，將光纖光柵索力傳感器與纜索鋼絲通過夾具進行有效的連接，從而鋼絲的受力有效地傳遞到光纖光柵上，通過實時監測光纖光柵中心波長的變化，從而監測鋼絲的受力情況。實際應用中，通過纜索內鋼絲上合適的光纖光柵傳感器布置，可實現同時兼顧纜索的整體受力與局部絲受力監測。

經過測試，索力傳感器中心波長-力輸出關系曲線，如圖5所示。

圖5 索力傳感器荷載波長時程圖

由圖5可以看出，傳感器波長輸出變化均能有效表征傳感器的受力情況，且線性度、重復性很好。即對于纜索內鋼絲的索力測試，將特制的索力傳感器用夾具固定在單絲上能滿足其索力測試要求。

此外，為了評估鋼絲上傳感器膠接結構的可靠性，對傳感器進行了疲勞試驗（按單絲200萬次疲勞試驗要求試驗），通過了5萬次、10萬次、20萬次、50萬次和200萬次的疲勞試驗，且在疲勞測試后傳感器與鋼絲之間連接仍然可靠。

4 結語

通過在吊索上安裝光纖光柵索力傳感器、光纖光柵溫濕度傳感器，應用于大橋吊索健康監測工程，可對索力、溫濕度進行多參量實時監測，提高大橋纜索的智能化監測水平。本文提出的光纖光柵索力傳感器量程大，可以測量的索力大于橋梁索力的正常范圍，且輸出的重復性、線性度良好，線性相關大99.9%以上。光纖光柵溫濕度傳感器測得的溫度偏差在±0.3℃的范圍內，濕度偏差在±0.7%RH的范圍內，測量準確度較高，滿足橋梁纜索溫度測試的要求。