光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用

光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用1周智欧进萍（哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨，150090）摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成为诸多领域的前沿研究与应用方向。本文主要介绍了作者及其课题组和相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测0引言重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向（欧进萍，2005）。然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤光栅传感器的优点主要表现为：耐久性好，适于长期监测；_____无火花，适于特殊监测领域；既可以实现点测量，也可以实现准分布式测量；测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；检出量是波长信息，因此不受接头损失、光沿程损失等因素的影响；对环境干扰不敏感，抗电磁干扰；波长编码，可以方便实现绝对测量；单根光纤单端检测，可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数；信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；光纤光栅尺寸小，测量值空间分辨率高；输出线性范围宽，在量程范围内波长移动与应变有良好的线性关系；频带宽，信噪比高等。正是这些突出优点，光纤光栅传感器受到土木工程领域的广泛关注与青睐。本文重点介绍了作者及其课题组和产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其重大工程应用。最后，介绍了作者在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。1光纤光栅传感器的发展光纤光栅是一种新型的光子器件，它可以控制光在光纤中的传播行为。光纤光栅的研究与发展归功于1978年加拿大的Hill（1978）等人在实验室中制作的世界上第一根光纤光栅，以及1989年美国的Meltz1资助项目：国家自然科学基金（50308008，50410133）；863计划项目（2002AA3131110）；中国博士后基金等人发明的紫外侧写入技术。随后，1993年Hill与Lemaire分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。这两项技术相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本与容易程度，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究的热潮。自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感研究以来（Morey，1989），世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的10多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如土木工程、油田、航空航天、复合材料、高压输电线、医学、核电站、消防等领域(Rao,1999;Tennysonetal,2000;Ou&Zhou,2002,2003,2004,2005)。目前，国内的清华大学、重庆大学、南开大学、武汉理工大学、北京交通大学、香港理工大学、哈尔滨工业大学等单位对光纤光栅传感器的应用研究非常重视，投入了大量的人力和物力，得到了系列研究成果，并已经在一些重点示范工程上得到了应用。迄今为止，光纤光栅无论在技术成熟度，还是成本上都已经取得了实质的突破，将其应用到量大面广的土木工程已经成为现实。很多光电领域的专家学者对光纤光栅的传感特性以及诸多领域的应用作了很多尝试，取得了较好的成果。但是，目前普遍存在一个问题：光纤光栅传感器的开发者因为缺少应用领越的专门知识，研究开发的“专业”传感器无法胜任实际的工程需要，而应用领域的工程师们缺少光纤光栅传感的专门知识，即使清楚自己的测试需要，仍难以协调与指导传感器的研究开发，从而导致了供给与需求的严重脱节。哈尔滨工业大学及其相关产业化企业针对重大土木工程结构健康监测对耐久性传感器的迫切需求，发挥多学科交叉的优势，突破传统胶粘剂封装光纤光栅应变传感器和布设工艺耐久性的不足，通过对光纤光栅应变传感器的应变传感物理机理、应变传感的界面传递机理、封装光纤光栅传感器的蠕变特性等方面进行了较系统研究，提出了基于误差的应变传感器设计的优化方法，并开发出系列高性能的光纤光栅直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品以及相应的结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统，并应用于诸多重大桥梁工程。下面就其主要研究与开发成果作一介绍。2光纤光栅系列直接传感器2.1光纤光栅直接应变传感器目前，裸光纤光栅的传感特性已经比较清楚，可以直接应用于应变与温度传感，但是由于裸光纤光栅特别纤细、外径约为125微米、主要成分是SiO2，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接将其作为传感器无法胜任土木工程粗放式施工，如混凝土的浇注、钢结构的吊装以及恶劣的服役环境等。因此，对裸光纤光栅进行二次开发，即封装或增敏处理，是将光纤光栅在土木工程领域推广应用的一个重要环节。光纤光栅直接传感器的封装需要解决“结合”问题，高分子胶粘剂是解决“结合”问题的最直接的手段，然而高分子胶粘剂“短命”的蠕变、老化等性能严重地制约了光纤光栅传感器耐久性能的发挥，光纤光栅的高耐久性封装与无胶布设技术是光纤光栅在土木工程大规模应用的瓶颈技术之一。针对重大土木工程结构健康监测对耐久性传感器的迫切需求，突破传统胶粘剂封装光纤光栅应变传感器和布设工艺耐久性的不足，哈尔滨工业大学发挥交叉学科的优势，针对土木工程结构长期监测的需要，开发出了系列高耐久性光纤光栅直接传感器产品，即高性能光纤光栅应变传感器。限于篇幅，这里主要介绍几种有代表性的传感器，如有兴趣，可以参看网页信息。此外，考虑研制开发光纤光栅应变传感器的需要，还专门开发了多功能标定装置。2.1.1高耐久性FRP封装埋入式光纤光栅应变传感器本产品采用高耐久性的CFRP（CarbonFiberReinforcedPolymer）或GFRP（GlassFiberReinforcedPolymer）封装技术研制开发而成，整个传感头部分没有耐久性制约的部件，完全克服了传统用胶粘剂开发光纤光栅封装应变传感器不可跨越的耐久性问题。此外，FRP自身的线弹性本构特性充分保证了传感器在量程范围内的线性度特性。该传感器具有工程布设简单、量程大（5000me以上，最大可达10000me）、耐久性好、精度高、误差修正系数小等突出优点，特别适于混凝土结构内部应变的测试，可用于桥梁、建筑、水工等土木工程结构的施工、竣工试验和运营监测的应变传感器。产品照片与性能曲线如图1和图2所示。a）传感器照片0500100015002000250030000.00000.00050.00100.00150.00200.0025Δλ/λμεCB-FBG-CE-100型2号实测拟合b）传感器典型性能曲线图1CFRP封装型光纤光栅应变传感器a）传感器照片0500100015002000250030000.00000.00050.00100.00150.00200.0025y=7.88E-7x+1.127E-5relativewavelengthchangestrainincreasedcycle1b）传感器典型性能曲线图2GFRP封装型光纤光栅应变传感器该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距，尤其适合大应变的较大范围监测，并可以用来监测混凝土结构的内部裂纹信息。该传感器的主要性能指标：量程大于5000me；测试精度2～3me（取决于解调仪）；重复性误差小于0.6％；线性度误差小于0.9％；灵敏度系数为7.7~8.0E-7（1.18~1.2me/pm）(具体参见标定系数)；迟滞小于0.5%；在1000微应变下循环100000次性能没有变化；耐腐蚀环境，在工作温度35摄氏度，盐雾为3.5%NaCl溶液的盐雾箱试验4个月没有性能变化。2.1.2高耐久性端部扩径FRP封装光纤光栅应变传感器考虑实际土木工程内部应变测试的协同工作要求，本产品的核心特征为在上述FRP封装传感器的基础上进行端部扩径，其主要性能指标基本操持一致。产品照片与典型性能曲线如图3所示。a）传感器照片05001000150020002500300035000.00000.00050.00100.00150.00200.0025△λ/λ=-5.755×10－5+8.340×10－7×ε△λ/λε（με）CB-FGB-EGE-100型1号实测拟合b）传感器典型性能曲线图3高耐久性端部扩径FRP封装光纤光栅应变传感器2.1.3高耐久性焊接式光纤光栅应变传感器本产品采用了FRP无胶封装技术，克服了传统用胶粘结开发光纤光栅传感器不可跨越的耐久性问题，可以根据要求任意改变标距长度，最小可达1～2cm，具有工程布设简单、可拆换、量程大、耐久性好、布线方便、精度高等突出优点，可以用于钢结构表面应变监测，采用预埋件或铆钉也可用于混凝土表面应变测试，可用作桥梁、建筑、水工等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面应变传感器。产品如图与标定曲线4所示。其主要性能指标:量程大于5000me；精度为1～2me；迟滞系数小于0.5%FS；重复性小于1.0%FS；灵敏度系数为：7.8x10-7me-1；线性度系数小于0.5％FS。a）传感器照片05001000150020002500300035000.00000.00050.00100.00150.00200.0025△λ/λ=6.4278×10－6+7.592×10－7×ε△λ/λε（με）CB-FGB-CW-40型1号实测拟合b）传感器典型性能曲线图4高耐久性焊接式光纤光栅应变传感器2.1.4高耐久性长标距埋入式FRP封装的光纤光栅应变传感器考虑土木工程结构大范围内的平均应变测试需要，课题组采用FRP筋的端部锚固技术，开发出了高耐久性长标距埋入式FRP封装的光纤光栅应变传感器。该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距，尤其适合大应变的较大范围监测，并可以用来监测混凝土结构的内部裂纹信息。其主要性能指标为：量程大于5000me；分辨率1me；迟滞系数小于0.3%；重复性系数小于0.4%；灵敏度系数为7.8x10-7me－1；线性度系数为：≤0.4%。传感器如图5所示。a）传感器照片05001000150020002500300035000.00000.00050.00100.00150.00200.0025△λ/λ=-2.318×10－6+7.67×10－7×ε△λ/λε（με）CB-FBG-GE-500型2号实测拟合b）传感器典型性能曲线图5高耐久性长标准埋入式光纤光栅应变传感器2.2无外力影响光纤光栅直接温度传感器由于光纤光栅具有应变