光纤光栅传感器及其在土木工程中的发展应用

光纤光栅传感器及其在土木工程中的发展应用摘要：介绍了光纤光栅的传感技术及其封装方式，特别是采用FRP筋嵌入式封装光纤光栅传感器(OFBG)制成的FRP—OFBG筋，并对光纤光栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测0、引言新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外界引起的温度、应力应变变化，具有线性程度高、重复性好等优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点J：如测量精度高，抗干扰能力强，可在同一根光纤上制作多个光栅实现分布式测量，测量范围大，稳定性、重复性好，非传导性材料，耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，适合运用于恶劣环境中，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文先介绍光纤光栅传感技术及其封装方式，并主要阐述光纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。1、光纤光栅的传感技术特点及其封装1.1光纤光栅的传感技术特点光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。光纤光栅传感器的基本原理为：光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。1.2光纤光栅的封装1)基片式封装。将光纤光栅装在刻有小槽的基片上，通过基片将被测结构的应变传到光栅上，封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。这种传感器结构简单，易于安装，但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低。2)金属管式封装。管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。3)夹持式封装。主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅，其标距长度可根据实际需要改变。此种传感器具有布设简单、可拆换、耐久性好、布线方便等优点，可作为桥梁、建筑等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面传感器。4)嵌人式封装。这里特别介绍FRP-OFBG智能复合筋。FRP筋是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维增强塑料筋，在其制备过程中放人光纤光栅，便可得到FRP-OFBG智能复合筋。该复合筋目前研究得比较多，它保留了FRP良好的力学等性能，又具备光纤光栅的传感特性，而且大大提高了光纤光栅的应变测量量程，是光栅传感器较好的一种封装方式。2、光纤光栅传感技术在土木工程中的发展应用2.1国外发展应用14,51993年，在加拿大卡尔加里附近的geddingtonTrail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一，18个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和碳纤维复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测。1999年夏，在美国新墨西哥LasCruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。2000年，加拿大在Confederation大桥——世界上跨在被冰覆盖的海洋上的最长桥中安装了一系列光纤布拉格光栅传感器对桥梁进行了健康监测，长期监测冰压力对桥梁墩柱的作用、温度影响、交通荷载以及风载下的振动情况。在地下工程、采矿业等方面也开发许多针对性强的光纤光栅传感器_6J。德国的GFZPotsdam开发了一种地下岩石挖掘过程中测量应变的光纤光栅传感器——FBX地脚螺栓。这种新型的传感器是在一根玻璃纤维增强聚合物岩石地脚螺栓中埋人光纤光栅，用于探测岩石构成和岩石工程结构中的静态和动态应变。2.2国内发展应用与国外光纤光栅技术的快速发展相比，我国在这方面的研究工作开展得比较晚。南开大学的董孝义课题组是国内最早研究光纤光栅的部门之一，在光纤光栅传感领域有着深厚的理论基础和实践经验。在我国，光纤光栅传感器在桥梁等健康监测方面也有了一定的应用，相当一部分院校和科研单位，如清华大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学以及上海紫栅公司等，开展了一系列研究和工程应用[6，7l。武汉理工大学光纤传感国家工业试验基地发展了多种形式的桥梁用光纤Bragg光栅传感器和光纤Bragg光栅解调器以及相应的监测系统，并构建了一套完整的光纤光栅传感器的埋设工艺，都取得了良好的经济和社会效益。哈尔滨工业大学欧进萍院士及其课题组在国家863项目、国家自然科学基金等较多重大项目的支持下，从2001年开始，采用光纤光栅传感器进行了山东东营黄河公路大桥、黑龙江呼兰河大桥等10余项桥梁工程的结构健康监测【10]。在地下工程等方面也有一些应用。石家庄铁道学院的研究人员IllJ将光纤光栅温度传感器用于青藏铁路多年冻土区路基稳定性的长期监测，验证了光纤光栅传感器的测试精度和长期稳定性。2006年8月，哈尔滨工业大学的陈风晨等人在北京某已建高速公路上实地埋设了光纤光栅应变传感器，对沥青路面进行结构的应变场测试。北京地铁国贸站项目[13J将光纤光栅传感器、光纤光栅一纤维复合筋(FI.0lFBG)应用到地铁车站的健康监测中，为地铁车站结构的理论研究和设计方法的完善打下牢固的基础。目前土木工程监测研究最多的项目之一是索力的监测。就目前FRP-OFBG传感筋在索力监测运用状况[17,183看，钢绞线锚索采用FRP一0jG筋传感器进行受力监测的方式大体有两种：一种是直接增加FRP-OFBG筋法，在索体中，利用锚具内的环氧砂浆固定FRP-CIFBG筋的两端，或是使用夹具等将传感筋的两端与钢绞线绑在一起，使FRP-OFBG筋和钢绞线变形一致，组成自监测智能钢拉索;另一种是直接增加FRP-OFBG智能钢绞线法，用FRP-OFBG筋替换普通钢绞线的中丝得到智能钢绞线，在索体中部分采用智能钢绞线便可实现锚索的自监测。3、结语光纤光栅传感器由于尺寸小、线性度优异、重复性好、非磁性、耐腐蚀等诸多优点，在土木工程结构的监测领域备受青睐。目前研究最多的是采用FRP筋嵌入封装光纤光栅制成的FRPOFBG智能复合筋，极大的提高了裸光栅的应变测量量程，它是一种较优异的传感器。工程中可通过采用直接增加FRP—OFBG筋法或直接增加FRP-OFBG智能钢绞线法对索力等进行监测。但目前对基于FRP.OFBG筋的监测技术的相关研究还比较少，技术尚不够成熟和完善，相关的工程应用也很少，其研究应用工作有待进一步拓展和深入。信科12128盛晨浩