光纤光栅无源传感器在结构监测系统中的应用

刘军

（江苏燕宁工程科技集团有限公司）

1 引言

城市地下管道综合走廊，简称为“综合管廊”或“共同沟”，是指将设置在地面、地下或架空的各类公用类管线集中容纳于一体，并留有供检修人员行走通道的隧道结构。即在城市地下建造一个隧道空间，将市政的电力、通讯、燃气、给排水、污水等各种管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、设计、建设和管理，彻底改变以往各种管道独自建设与管理，同时改善了城市地面环境和有效利用城市地下空间。

由于综合管廊通常设计成线状，在建设过程中常采用现场浇筑或预制拼装进行施工，但都留有变形缝或施工缝。管廊变形缝处通常为结构体薄弱位置，在环境荷载作用下可能会出现混凝土开裂、不均匀沉降、位移等诸多问题[1]。这些问题不但会严重削弱混凝土管廊的使用性和耐久性，还会对管廊内的管线造成破坏。因此需要对混凝土管廊进行结构监测，确保其安全。通过在混凝土结构体上布设光纤光栅位移计、静力水准仪、应变计[2]、温度计[3]等无源传感器实时采集结构体的几何参数，经大数据分析和处理，当结构出现异常时，可及时预警。

2 系统设计

2.1 光纤光栅传感技术原理

光纤光栅的本质是一段纤芯折射率周期性变化的光纤，长度一般只有10mm左右。其作用相当于一个有选择性的光谱反射镜，最主要的功能是将入射光中满足布拉格条件的某一特定波长的光部分或全部反射[4]。光栅反射波长为，其中，λB是被反射的波长，是光纤光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。

当光纤光栅周围应力和温度变化会引起折射率和栅距的变化，导致 FBG 波长λB的移位[5]，满足线性关系式：

式中 ：∆λB为 FBG 波长变化量，α为光纤光栅热膨胀系数，ξ为光纤光栅热光系数，∆T为温度变化，Pe为光纤光栅光弹系数，Ɛ为光纤光栅轴向应变。

图1 FBG传感原理图

其中特别当温度发生变化时，将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率产生变化，进而使光栅Bragg信号的波长漂移∆λB，通过监测Bragg波长λB的变化情况，即可获得测点上光纤光栅周围温度的变化状况。在不受应变的情况下，光纤光栅波长漂移∆λB与温度的关系为：

式中：α为光纤热膨胀系数，一般为0.55×10-6/℃；ξ为光纤光栅热光系数，常温下约6.3×10-6/℃；∆T为温度变化幅度。图2给出了光纤光栅Bragg波长的变化与环境温度变化的关系曲线。

2.2 监测点布置及安装方法

在综合管廊结构体薄弱位置分别布置光纤光栅位移计、静力水准仪、应变计、温度计以监测结构的安全状态。其中，位移计和温度计安装在相邻位置处、水准仪和应变计安装在相邻位置处；光纤光栅位移计、静力水准仪、应变计、温度计均安装在结构体同一侧以方便集成和保护，沉降计和位移计数量是应变计和温度计的倍加；另外光纤光栅位移计分为纵向和横向两种，传感器布置在同一监测断面并上下错开安装，横向位移计安装在纵向位移计上方。

3 功能设计

系统功能构成如图3所示，根据功能可划分为三个子系统：

1）结构健康监测子系统

通过各种光纤光栅无源传感器完成结构体的数据采集、实时监测、实时显示、远程传输及存储功能。为其他应用提供数据源，满足数据处理、评估、决策的需要。

2）结构健康评估子系统

实现结构预警、损伤诊断及极限评估功能，并提供各种结构评估的报告、提供报告查询、显示及下载功能。

3）数据管理子系统

是结构体巡检数据和实时监测数据的管理平台，实现对结构静态数据和动态数据的管理，提供数据维护、查询及报表打印等功能，并提供远程在线形式，提供数据的实时监测、数据查询与统计以及各种评估报告和决策建议等业务，系统用户界面采用Web GIS的显示形式，综合使用各种图表显示数据。

4 结语

基于光纤光栅无源传感技术构成的城市综合管廊分析与预警评估系统是结构体健康监测系统的核心，本系统密切结合综合管廊的管养要求，将传感器自动监测得到的数据，进行统一的数据识别、处理、分析，对结构体安全异常状态做出及时诊断并找出其根源，及早发现灾难性破坏的隐患。该系统同时具备数据分析、安全评估及状态评估等功能，其中，数据分析为预警和评估的基础。预警是系统功能的第一层次，其目标是通过对系统实时采集的信息进行自动处理和统计分析，快速掌握结构的状态变化，当状态发生异常或具有异常征兆时及时告警。评估则是系统功能的第二层次，在预警后或定期综合利用监测系统自动采集的数据，结合分析工具对结构状态进行全面评估[6]。该系统具体功能如下：

①通过长期监测大数据分析各种阈值随时间、外荷载等变化的规律，对有限元模型进一步修正，通过大量的有限元变参数分析，确定结构处于不同状态时所对应的各种阈值和指标值。

②对自动化监测数据进行回归分析、统计分析、趋势分析、对比分析、相关相干分析、模型分析、数据挖掘和特征提取等工作。

③综合各种监测数据和分析结果，对实时监测结构状态参数进行判断和分级预警，并对告警情况进行记录。结构异常状态预警后，分析评判结构体工作性能，得到结构状态评估报告，并给出管养建议。

④发生告警后通过邮件、短信、微信等方式通知管理方。

图2 光纤光栅波长与温度的示意图

图3 系统功能构成