基于光纤光栅传感器的拉索健康监测研究.pdf

100．基于光纤光栅传感器的拉索健康监测 邓年春1 欧进萍· 周 智1 龙 跃2 朱万旭2 黄日金2 (1．啥尔滨工业大学土木工程学院2．柳州欧维姆机械股份有限公司) 摘 要：拉索是缆索支承桥梁的主要承载构件之一。由于环境荷载作用、疲劳效应以及腐蚀和 材料老化等不利因素的影响。它将不可避免地产生损伤积累和抗力衰减。因此对拉索进行健康监 测就显得尤其童要。文中研究应用光纤光栅传感器监测拉索的安全．其传雅器的应用形式主要有 两种。一种是直接粘贴裸光纤光栅传感器。另一种是将光纤光栅传感器封装后应用到拉索中。文 中对传雅器的两种应用形式分别进行了研究．并结合四川峨边大渡河大桥工程实例。将裸光纤光 栅和GFRP封装光纤光栅分别布设到了拱桥吊杆和系杆中。并在桥梁运营期间采集了监测数据。 文中的试验结果和工程实例表明采用光纤光栅传感器监测拉索的安全是可行的。 关键词：拉索 光纤光栅 FRP—OFBG筋应变传感 健康监测 1 引言 拉索是缆承桥梁的主要承载构件之一，由于环境荷载作用、疲劳效应以及腐蚀和材料老化 等不利因素的影响，它将不可避免地产生损伤积累和抗力衰减，因此对拉索进行健康监测就 显得尤其重要。应变是工程结构健康监测最为重要的参数之一，它最能反映结构局部特征，便 于结构安全评价与损伤定位。因此文中利用监测拉索中的应变来监测拉索的安全。传统的应 变检测手段，如电阻应变片、钢弦计等都存在不同程度的缺陷，难以实现对拉索的健康监测。 新发展起来的光纤光栅传感技术通过栅格反射波长的移动来感应外界物理量的微小变化，测 量线性度高，重复性好，可对结构的应力、应变进行高精度的、绝对的、准分布式的数字测量； 同时光纤光栅传感器还具有抗电磁干扰能力强、耐高温、体积小、接线简单、可实现数据远距离 传输等优点，比较适合用于拉索的健康监测。文中研究应用光纤光栅传感技术进行拉索的健 康监测。 737 2光纤光栅传感器的基本原理 采用紫外光对光纤侧面进行曝光或其他写入方法，使光纤纤芯-／1,段范围内的折射率沿 光纤轴线发生周期性变化而得到光纤光栅。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，它反射的中心波长方程为口] AB一2n。ff·A (1) 式中：A。——光栅布喇格波长； neff——纤芯的有效折射率； 以——光栅周期。 由方程(1)可知，光纤光栅反射的布喇格波长主要取决于光栅周期以和反向耦合模的有 效折射率％r，任何使这两个物理参量发生改变的物理过程都将引起光栅布喇格波长的漂移。 引起A和neft变化的主要物理过程是应变和温度。布喇格波长的漂移与应变和温度的关 系为 zS、a__．g一(1一P。)￡。+(e+a)AT ．(2) ^B 式中：￡。——轴向应变； △丁——温差； 一2 P。——有效光弹系数，P。一了i／eff[夕。2～v(p。1+户12)]； (3) P，，和P，。——弹光张量分量(Pockel系数)； u——光纤材料的泊松比； a——热膨胀系数； 卜热光系数。 当材料确定后，光纤光栅对应变和温度的灵敏度系数基本上是唯一与材料系数相关的常 数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为应变和温度传感器可以得到很好的输出特性。因 此可以通过对光栅反射布喇格波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量。 如果忽略交叉灵敏度的影响，温度、应变共同作用引起的对光纤光栅的作用可以看作是相互独 立的、线性叠加的。 3光栅传感器封装与性能试验 光纤光栅传感器使用方法比较简便，可以直接粘贴在工程结构的表面进行测量。但是它 质地比较脆弱，非常容易被损坏，所以最好采取封装措施对其进行保护。 3．1 FRP封装光栅传感器 纤维增强塑料(FRP)筋是以纤维为增强材料，以树脂为基体材料，并掺加辅助剂，经拉拔 成型和必要的表面处理所形成的一种新型复合材