基于FBG傳感器的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測

劉安龍，朱緯，魏金龍，周衛(wèi)豐，肖正興，王彥

（1.馬鞍山市博望區(qū)公路管理局，安徽 馬鞍山 243131；2.馬鞍山市縣鄉(xiāng)公路管理局，安徽 馬鞍山 243011；3.安徽省交通建設(shè)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(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

0 前言

自20世紀(jì)70年代以來，光纖傳感技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展與應(yīng)用，其中在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)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(nèi)，并使它們嚴(yán)格平行、同軸，形成一個光纖法珀腔[1]。當(dāng)一束光通過光纖入射到法珀腔內(nèi)時，會在兩邊光纖端面分別反射并按原路返回。當(dāng)外界產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而會改變輸出光強和波長的分布，通過光纖法珀應(yīng)變解調(diào)儀解調(diào)，由光強和波長的變化得到混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變量。光纖光柵傳感器作為發(fā)展最為迅速的光纖傳感器在許多重要領(lǐng)域得到應(yīng)用,其中傳感器就有多種：溫度傳感器、位移傳感器、應(yīng)變傳感器等[2-3]。

其中光纖光柵傳感器在橋梁的安全監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。早在1996年，Davis.M.A在美國新墨西哥州立大學(xué)的橋梁模型上安裝了60個光纖光柵傳感器，對橋梁的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)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(jiān)測在汽車和火車荷載作用下的應(yīng)變值。2005年，同濟(jì)大學(xué)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(jiān)測了跨中節(jié)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(yīng)變監(jiān)測，說明光纖光柵傳感器在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)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(nèi)形成的空間相位周期性分布的光柵，實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)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(guān)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(zhì)折射率有關(guān),會隨著溫度、應(yīng)變等一些參數(shù)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(diào)系統(tǒng)為BaySpec公司的FBGA快速解調(diào)儀。

1.2 應(yīng)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(yīng)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(yīng)的發(fā)生改變，稱為布拉格中心波長漂移量[8]。這里由于應(yīng)變產(chǎn)生的布拉格中心波長漂移量：

（式中，P）_e為有效彈光系數(shù)，Δε為應(yīng)變變化量，K_ε為FBG的應(yīng)變靈敏系數(shù)。對于普通單模石英光纖，P_e約為0.22，靈敏系數(shù)高，在結(jié)構(gòu)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(yīng)變監(jiān)測

2.1 橋梁模型結(jié)構(gòu)分析與監(jiān)測內(nèi)容

本文所用的模型橋?qū)儆诠傲航M合體系橋梁，是根據(jù)實際橋梁按1∶500比例建成的，橋的跨徑400cm，橋?qū)?2cm,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(shè)有連桿，共27對，間距10cm。橋面板采用ABS工程塑料鋪設(shè)而成，橋面底部考慮試驗設(shè)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(chǎn)生應(yīng)變，但在車輛通過橋面時，車輛壓力使橋面產(chǎn)生的應(yīng)變效果要更為明顯，所以傳感器的檢測結(jié)果就是車輛在通過橋梁時，橋梁所產(chǎn)生的應(yīng)變。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)模型

2.2 橋梁模型的受力分析與傳感器的布設(shè)

在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，對橋梁的結(jié)構(gòu)和受力分析尤為重要，它決定了傳感器的選擇和布設(shè)。而傳感器的選擇和布設(shè)又影響橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)果的質(zhì)量，因此，進(jìn)行傳感器的最優(yōu)數(shù)目選擇和測點定位優(yōu)化設(shè)計是必要的。在實際運用中，最優(yōu)良的設(shè)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(jù)橋梁模型結(jié)構(gòu)分析與監(jiān)測內(nèi)容結(jié)果表明，由于橋梁本身自重的原因會出現(xiàn)正彎矩現(xiàn)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(yīng)變最為明顯，形變幅度最大，為負(fù)載最不利的地方，故應(yīng)該在此處加強應(yīng)力重點監(jiān)測，多布設(shè)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(yīng)變逐漸減小，但應(yīng)變效果依舊明顯，此處應(yīng)該布設(shè)較多的傳感器。而當(dāng)車輛通過橋墩處時，橋梁幾乎不發(fā)生應(yīng)變，相對比較平穩(wěn)，此處應(yīng)該較少的布設(shè)傳感器。綜上所述,為了本次實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，本次實驗分別在橋梁面的1/2布設(shè)兩個應(yīng)變傳感器，在±1/4處各布設(shè)一個應(yīng)變傳感器。

2.3 FBG應(yīng)變傳感器

本文檢測環(huán)境是在橋梁模型中實現(xiàn)的，橋梁模型相較于實際橋梁較小，故不使用實際現(xiàn)場的長標(biāo)距FBG應(yīng)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(qū)長度為10nm，兩端尾纖長度為1/1m。傳感器結(jié)構(gòu)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(hù)層，直接裸露在外界。在粘貼時，為保護(hù)纖芯不被折斷，應(yīng)先將纖芯兩端的保護(hù)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(qū)。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(hù)層每隔8cm粘貼固定，各邊至少粘貼固定2次。

圖4 應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.4 橋梁數(shù)據(jù)采集與分析

為驗證FBG可應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，將其應(yīng)用于模型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測現(xiàn)場。FBG光纖傳感器直接將傳感信息傳輸?shù)焦饫w解調(diào)儀中，將光纖解調(diào)儀與PC連接，經(jīng)過光纖解調(diào)儀解調(diào)的信息最終在PC終端以圖文方式顯示。

圖5 模型橋數(shù)據(jù)采集框架圖

在傳感器安裝完畢之后即對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，設(shè)置采集頻率為1Hz，采集時長為15s。通過PC終端數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)MATLAB數(shù)據(jù)處理制成圖譜。

2.3.1 1/4處應(yīng)變

如圖6所示，可以看到在車輛通過橋梁1/4時，產(chǎn)生應(yīng)變，傳感器接收信號，波長發(fā)生偏移，最大偏移量接近9pm,當(dāng)車輛駛離1/4處時，波長逐漸恢復(fù)，與現(xiàn)場狀況符合，檢測結(jié)果可以很好的表現(xiàn)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(yīng)變

如圖7所示，可以看到傳感器中心波長開始已經(jīng)發(fā)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(fù)。觀察現(xiàn)場可知，當(dāng)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(chǎn)生共振，在車輛駛?cè)霕蛄簳r，整個模型橋都有微小震動，傳感器接收信號，波長發(fā)生微弱偏移。當(dāng)車輛行駛至橋梁1/2處，應(yīng)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(jié)構(gòu)受力，位于橋梁1/2處的應(yīng)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(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測。

圖7 橋梁1/2處傳感器波長變化量-時間圖譜

3 結(jié)論

隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個領(lǐng)域。本文提出了一種基于FBG傳感器的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過在模型橋梁中搭建橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測現(xiàn)場，采用FBG應(yīng)變傳感器對模型橋梁關(guān)鍵部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與評估。該系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了實際橋梁的結(jié)構(gòu)特點、運營狀況，以及監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性和靈敏性的因素，確保橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)可靠運行。在數(shù)據(jù)采集之后，通過對數(shù)據(jù)的分析和對現(xiàn)場的觀察，可以發(fā)現(xiàn)FBG傳感器可有效穩(wěn)定地監(jiān)測橋梁狀態(tài)變化，為橋梁安全評估技術(shù)提供數(shù)據(jù)支持，適合橋梁長期實時監(jiān)測的需要。

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