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光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用1 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 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； 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 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 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Meltz 1 资助项目：国家自然科学基金 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; Tennyson et al, 2000; Ou Zhou, 2002, 2003,2004,2005)。 目前