应用光纤传感器的智能桥梁.docx

应用光纤传感器的智能桥梁编译索文斌,张巍,施斌(南京大学地球科学系地球环境计算工程研究所,江苏南京210093)摘要:智能结构是近年来土木工程领域研究的热点,随着光纤传感科学、材料科学、信号解析科学等科学的不断发展,以智能结构为主体的各类智能建筑物也逐步付诸实践。法布里·珀罗光纤传感器(FPI)以其高灵敏度、高精度、高分辨率、高稳定性等优点,率先在智能结构领域得到了广泛的应用。重点介绍了采用光纤传感器等的多种技术的智能桥梁的原理和结构,并结合具体工程介绍了应用光纤传感器以及应用FRP、CFRP等新型加固材料的智能桥梁的工程实例。实践表明:应用光纤传感技术的智能桥梁在性能监测、健康诊断、预警和智能修复中有着广泛的应用前景。关键词:智能桥梁;光纤传感器;复合材料中图分类号:U448.38文献标识码:A文章编号:1671-7767(2004)03-0068-04以桥梁为代表的大型工程建设,在国民经济中的重要作用不言而喻。而大型工程的安全性、稳定性程度将直接影响大型工程的修建。因此,如何确保大型工程的安全性、稳定性要求是摆在工程设计人员、施工人员和科研人员面前的首要课题。桥梁安全性、稳定性问题大体集中在如何有效提高桥梁承载能力以及如何有效延长建筑物的使用年限。近年来,随着光电传感技术的不断发展,桥梁的实时监测、健康自诊断、智能修复成为各国工程技术界竞相发展的重点,也成了有效监控和解决桥梁安全性与稳定性的有效手段。光纤传感器的使用,克服了传统领域的点式分布的监测方式的缺点(精度低、监测距离短、耐久性差),成了美国、日本、加拿大、瑞士等发达国家竞相争取发展的新技术。目前,研究的重点在于智能结构的开发、光纤传感器的埋设、系统信息的解译等。对结构状态做出一个自动而快速的反应,并且能够对结构的内在状态做出评估,而这是用其它手段所难以实现的。图1智能结构及其光纤传感系统要想修建智能桥梁就需要拥有对各种技术环节之间关系的理解。首先,一个内嵌的或是附属的传感器必须与基体相适应。比如,在混凝土中埋设的光纤传感器的性能取决于光纤涂层的性能,对金属和FRP(纤维加劲塑料)复合材料也应当有相应的考虑;其次,区分不同的传感模式有助于对系统的分析。目前可供选择的传感模式主要有3种:①单点式监测,②定点列阵式监测,③全程分布式监测。定点监测只能够解决某个空间分量或局部响应的问题,如跨中应变的监测问题;而分布式传感技术则提供了一种对待测参数进行全面监测的方法,如温度场、应力场问题。最后,还会涉及到一些跨学科的课题,包括施工技术、系统识别、数据采集、信息技术和现场测试等。1智能桥梁一座智能桥梁应当具有集成控制与分析功能的传感装置,除了基本的承载功能外,其结构还应当如同生物系统一样,在外部环境作用下,能够做出智能的调整或诊断出自身的状态。图1表示了这样一个使用光纤智能传感技术的典型系统。待测信息,即结构状态的改变情况,使传感器产生光信号,并沿光纤传送到信号处理仪器进行解调并加以分析。所得的信息既可以作为控制结构状态的依据,也可以用来对结构的管理现状进行评价。智能系统能够保证2光纤应变传感系统传感是将一个待测物理量转换成一个可识别信收稿日期:2004-03-11编译者简介:索文斌(1980-),男,硕士生,2003年毕业于南京大学地球科学系地质工程专业,工学学士。应用光纤传感器的智能桥梁索文斌,张巍,施斌69息的过程。光纤传感系统的特征取决于外部荷载、传感器的设计、信号的解调,以及对智能结构的系统集成等因素。所采用的光纤作为整体系统的一个重要组成部分,将会对以上大多因素产生影响。而对一个特定的工程而言,采用光纤传感系统而非其它传感系统的原因也取决于以上的一个或多个因素。在结构工程领域中,结构的应变量是最令人关注的重要参数之一。由于荷载、温度以及其它因素所造成的结构尺度的变化同结构不同的性能、健康状况以及安全度密切相关,因此光纤应变传感器必须将结构的应变信息转换为某种光波物理参数的变化量。在目前看来,同时采用相位变化与干涉测量方法就能够有效地解决基于光波长的位移与变形测量问题。值得一提的是,基于法布里·珀罗(Fabry2Perot)干涉型的光纤传感器是几种比较成功的光纤传感器中的一种。它们可以直接用来进行定点监测,并且不像马赫·曾德耳(Mach2Zehnder)干涉型传感器那样需要的参考臂。2.1法布里·珀罗(Fabry2Perot)光纤传感器按照传感器的作用与设计原理可将法布里·珀罗(以下简称FP)光纤传感器划分为内置式与外置式两种。内置式传感器是指传感作用只发生在光纤内部,内置腔是将沿光纤的部分反射界面进行耦合而得到的。外置式传感器的传感作用发生在光纤之外,而光纤在此的作用只是进行光信号的传输。制作外置式传感器需要将光纤切开并在末端分离出裸纤。内置式FP光纤传感器的测量