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光纤光栅传感器在桥梁监测中的应用

摘要：文章阐述了光纤光栅传感器的工作原理和用于桥梁监测的特点，重点

给出了光纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用。

关键词：光纤光栅传感器桥梁监测缺陷检测

1.引言

在桥梁的在线监测中，以往主要采用常规的电类传感测量技术如电阻应变

片、振弦式传感器等。但电阻应变片发生的零点漂移会使其长期测试的结果严重

失真；振弦式传感器的灵敏度和稳定性虽然较好，但因为钢弦丝长期处于张紧状

态，蠕变因素影响较大。由于常规的电类传感检测手段易受电磁干扰、布线复杂、

时效性低等问题，并且所测量的瞬时结果不能准确连续预报桥梁工作状态等缺

点，因而均难以实现对桥梁结构安全状态的长期监测。

自1993年加拿大多伦多大学的研究者率先在卡尔加里的贝丁顿特雷尔桥上

布置光纤传感器进行桥梁监测至今，光纤光栅传感技术已广泛应用于桥梁等重大

土木工程的监测中。目前国内也已开始在桥梁监测中应用光纤光栅传感技术，如

南京长江第三大桥、巴东长江大桥等。

2.光纤光栅传感器的工作原理

Bragg传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射布拉格波长光谱

的检测，来实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量。而Bragg光栅的反射或

透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和纤芯的有效折射率neff，任何使这两个参

量发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移。光纤光栅中心波长为：

λB=2neffΛ（式中neff为光纤光栅的有效折射率；Λ为光纤光栅间隔或周期）。

当宽光谱光源照射光纤时，由于光栅的作用，在Bragg波长处的一个窄带光

谱部分将被反射回来。反射信号的带宽与光栅长度有关，典型的光栅反射带宽是

0.05~0.3nm。Bragg光栅应变传感器是以光的波长为最小计量单位的，而目前对

Bragg光栅波长移动的探测达到了pm量级的高分辨率。因而其具有测量灵敏度

高的特点，而且只需要探测到光纤中光栅波长分布图中波峰的准确位置，与光强

无关，对光强的波动不敏感，比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力。

3.光纤光栅传感器用于桥梁监测的特点

光纤光栅传感器是以光为变换和传输的载体，利用光纤传输信号。外接的被

测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输

的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化，它代表着新一代光传感器的发

展方向。主要特点为：

(1)准分布式全光测量及传输。光纤光栅传感器本身为无源器件，温度感测

及传送均为光信号，因而监测现场没有电子设备，不受电磁干扰。只需对集中监

测站及无人值守监测站供电。

(2)测量精度高、分辨率高、测量范围大。光纤光栅温度传感器的测温精度

为0.5℃，测温分辨率为0.1℃。光纤光栅应变传感器的测量精度为1με，应变分

辨率为0.8με，测量范围最大可达0~8000με。

(3)系统安装及长期使用过程中无需定标。光纤光栅为绝对量测量，本质稳

定，不存在零点漂移。由于光纤光栅采用光中心波长表征温度测量值，属于数字

量，光源的老化衰减及传输光纤布设、使用过程中，由于弯曲、扰动而引入的光

信号衰减不影响测量精度。

(4)引出线少，系统成本低。单根光纤可以串联30多个传感器，避免了传统

传感器单个单线的多线烦恼。几十个光纤光栅传感器可以通过单根光纤引出。

(5)便于重复使用。光纤光栅传感网络分析仪可以同时用于温度、应变、位

移、加速度、压力等不同类型的光纤光栅传感器。

(6)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀。测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、

连接损耗和测量仪器老化等因素影响。光纤光栅应变传感器在几百个微应变范围

内反复拉压，经过2000万次疲劳试验，零偏值仅变化三四个微应变。

(7)使用寿命长。所有传感系统采用的原材料多属于光通讯领域，有严格的

寿命限制，光通讯行业要求所有的元器件使用寿命25年。

4.应用光纤光栅传感器检测桥梁主要缺陷

运用光纤光栅传感器可以检测桥梁以下主要缺陷：

4.1混凝土表面和钢结构表面的裂纹信息监测。裂纹信息监测主要选用光纤

光栅大应变传感器(裂缝计)，该传感器量程可达100000Me，可以直接用于小于

20mm的裂缝监测，精度可达0.002mm。

4.2位移(或大裂纹)信息监测。大裂纹或位移监测可