光纤传感技术在桥梁检测中的应用

王 谦 ，李 华

［1.中大检测（湖南）股份有限公司，湖南 长沙 410000；2.湖南高速工程咨询有限公司，湖南 长沙 410000］

0 引言

大桥建设是一座国家的经济命脉，而大桥的建设与保护又是一项国家基础设施建设的关键部分。所以，大桥的安全与可常性成为事关国计民生的一项大事。长期以来，人类对桥梁的安全监测始终以电测量方式为主。但由于电磁干扰和潮湿腐蚀使这些方式不能进行长时间置放，因此检测中需要临时置放大量的电子传感器，这不但需要巨大的人力和物资，同时需要大量经过专业培训的电子工程师。同时由于测试结果都是瞬时的，无法精确、准时地预测桥梁工作状况，所以，所得结论仍然无法达到安全的要求。历年均有大桥坍塌的报道。若在大桥中埋设可长期置放的感应器，将可即时检测大桥的安全情况，并采取合理安全措施避免恶性事故的出现。光纤传感器由于尺寸较小（孔径仅为125μm，用于光纤传感器的总长度可短至几毫米）、体积轻巧、不导电、反应速度较快、抗腐蚀性、不受电磁射频和闪电流等的干涉因素，而且集传感技术和传输功能于一身的特殊优势，已成为大桥测量中的有效方式，也因此，近年来人们开始更加重视光纤传感技术在大桥测量中的运用，并开始研发生产适用于大桥测量的感应器[1]。

1 光纤传感技术原理

1.1 光纤传感器

光纤传感器一般包括三个部分，即光源、光纤和感应器。光源负责向光纤发出光，然后通过光缆传送到调制区域。在这个区域，灯光开始和被测量的桥梁部位相互作用，从而导致灯光的力度、相位、频谱、偏振状态、波段等参数产生相应变化，将普通光转变成特殊信息，并通过探测器接收和解析产生数字汇报，而光缆则是感应器的重要传输材料，既有规范和指引光传播路线的功能，还可在适当程度上完成光检测任务，效率远高于其他材料。光纤的纤芯被包层、树脂、塑料层层覆盖，形成有效的绝缘体和保护层[2]。以材质标准划分，传感器所用的光缆可分成玻璃光缆和塑胶光纤两种；以折射率准则划分，则可分成阶跃折射率光缆和梯度弥散折射率光缆两个类别。

光纤传感器一般包括节点型光纤传感器、积分型光纤传感器和分布式光纤传感器，三者的显著区别就是其测量范围和准确度都有所不同。相较于前面的二类传感器，分布式网络结构感应器最常用，其基本原理是利用散射回传的能力表示光纤通道布置的变化参数，并集成了时域反射功能、相干光频率区域反光和非相干光频率区域反光等关键技术，能在不经过局部开窗、取芯的状况下快速了解该桥的各项技术参数、变化规律和具体位置。

1.2 光纤传感技术与传统技术的差别

传统的大桥测量与用电检测技术主要原理是在大桥的部分重要地方装设电阻应变片进行传感检测，并运用电阻应变片与大电流变化之间的变化规律进行检测，以帮助探测器实现理论分析与结果计算。它以应变一电为基础，以电信号当作传递的主要媒介，并利用电线进行传递信息。该种方法具有很多缺点：容易受到当地自然环境的影响，如在空气相对湿度很大时，会使电流上升，引起短路等；易于引起各类事件，如因为高温、电路老化等问题引起起火、爆炸等事件。

光纤传感器的主要传递媒体是光信息，传递工具则为光缆。比较于传统感应器，光纤传感器从材料、分辨率、敏感度上均有了很大提高。光缆主要由绝缘媒介石英玻璃所构成，不但可高效绝缘导线，而且还能耐热和腐蚀，应对复杂多变的内外环境进行测试，而且，由于光纤传感器并没有对桥形成什么结构性危害，因其尺寸较小、材料轻便，能对许多结构复杂的桥梁进行实地测试，并制成形状满足测试需要的传感器阵列[3]。同样，在抗干扰能力上，光纤传感器在传输介质上也占有着重要优点，影响范围大，敏感度强和分辨率高。

1.3 光纤传感器的技术特点

光纤传感器具有以下技术特点：

（1）高灵敏度，防电磁干扰。因为光纤传感器测量系统很难接受外界的直接影响，而光信息在传播中既没有直接与电磁波产生直接影响，也不受各种电噪声的直接影响，因此，光纤传感器在电力的测量领域中得到了应用。

（2）由于光纤有很好的柔性和韧性，使得传感器能够按照现场测量要求而制成不同的形式。

（3）监测的波段广、动态响应范围大。

（4）可移植性很强，能够组成各种基本物理量的感应器，包含声场、电磁、压强、高温、加速率、位置、液位、流速、电压、辐射等。

（5）网络系统可嵌入性强，易于与电脑和光缆网络系统连接，便于进行网络系统的遥测与管理。

2 桥梁检测内容

2.1 桥梁健康检测技术的主要内容

桥梁对于水路、陆路等的连接而言有着关键的作用。桥梁安全性与可靠性不仅对桥梁本身至关重要，还对人们的生命财产安全有着重要的影响。桥梁的内部如果出现损伤，势必会造成桥梁的质量下降，并使其不能够安全地被使用。因此，健康检测和安全测评是桥梁建造的关键环节，对桥梁的安全使用和管理有着重要的指引作用。首先，检测该桥梁的使用设计载荷压力，简而言之就是逐步向检测的桥梁添加荷载直到设计承载能力。如果在规定的时间段内该桥梁没有出现任何裂缝、破损、塌陷等质量问题，桥梁应变变形未超出理论值，说明该桥梁处于安全使用状态。此外，在检测过程中应重点监测多发问题，如桥梁结构中的钢筋裸露、孔洞、裂缝问题等。

2.2 桥梁健康检测技术的检测评估

桥梁健康检测技术的评估包括对桥梁内部损伤的检测，以及对桥梁具体性能的整体、全面的检测，目前主要是利用光纤传感技术来实施此项评估，评估过程中要注意以下两点：①检测评估桥梁主体构架，对其品质进行测评检验，以此测评结果判断是否需要进行维护修缮；②在桥梁使用过程中评估检测其性能，以此判断桥梁的建造是否达标、是否符合使用要求。

3 光纤传感技术在桥梁测量中的运用

大桥建设是一项世界性的重大工程建设内容，而国外针对大桥的健康运行关注度也相当高。因此，大桥测试中势必会选用最先进的科学技术手段来进行。比如，在瑞士研制完成的光缆应力变形传感器，传感头就可以在混凝土构件内部松埋设，可任意构件外部行固定。而为了和传统光电测量技术进行比较，1995 年智能结构有限公司成功将光纤传感器和传统应力片、热电偶等应变传感器装配在日内瓦的公路大桥中，但唯有光纤传感器可以进行从浇筑至通行流程中混凝土稳定的有关试验。而英国研发的光纤传感器由于采用了白光干扰基本原理，有较高的准确度和复制性。可以在建筑物内部或材料表层设置或在里面埋设，以连续检测各种应力、孔隙压力、裂缝等具体参数。该感应器工作基本原理为在光缆中设定一真腔室，当强光经由传感光缆射入腔内时，会在真腔室二端依次进行反射、并沿着原道折返[4]。

中国的大桥修建工作正如火如荼地进行，尤其是甘肃西北地区，对光纤传感技术颇为关注。自2014 年起，甘肃省政府积极对全省所有的桥梁检测系统引进光纤传感技术，并期望以此完成信息技术的广泛革新，保证桥梁建设的效果和质量。光纤传感器技术体系中引入了波段扫描工作光源，并使用两种准直结构的法布里一珀罗干涉仪，一种用作基准干扰仪，另一种用作传感干扰仪。由此完成了大规模的远距离检测工作，并放宽了对灯光稳定性、扫描图像重复性等的要求，使系统在远距离的长期监控检测方面，比目前其他测量方法有着更大的优越性。

3.1 检测桥梁振动

使用光纤传感技术测量桥梁震动，就可以获取桥梁工程中整个或部分过程的震动参数，如频率、振幅等。检测措施主要是：将通信光缆附着于大桥表面或埋设在大桥内，光缆可由于大桥的震动而产生振动应变，终端所传输光的一些具体参数的周期性产生相应改变，而光电检测器所接收到的光强值也作同样的周期性改变，处理系统将所接收的振动信号进行FFT（Fast Fourier Transform）分析后，即可得到桥梁最终的振动频率及周期。

3.2 检测桥梁结构应力、应变情况

桥的内应力也是工程建设中能否顺利通过的主要评价参数之一，在桥结构的内应力测量上也需要做到细致入微。在当前，桥内应力测量所用的常规仪器主要是F 一P 光纤感应器和光纤布拉格光栅感应器。前者可用作大桥局部整体施工的结构内部应力监控，而后者则可应用于大桥施工的分布应力和测量上。某高速公路大桥为中国长江地区跨度最高的大桥，每天车流量密度接近四万辆次。并利用F-P 光纤传感器对其开展了静、动态测试，结果表明，光纤传感器的最大分辨率可达0.13μ，充分符合了大桥静、动态的监控条件，能非常清楚地表明不同机动车在以同一车速经过大桥时的大桥结构应力和变化趋势[5]。

3.3 混凝土结构检测

混凝土是桥梁的筋骨，在经历长期的腐蚀、使用后会形成裂纹等。按照破裂的程度，混凝土裂缝又可分成贯穿裂缝和深裂缝（0.2～0.3mm）两类。贯穿裂缝的存在直接损坏大桥的总体稳定性，极大减小了大桥的承受能力。裂纹是造成大桥倒塌事件的重要危险隐患，按破损物理的研究，工程破坏是建筑构件内部损坏累积到一定量严重程度时的表现，也就是说裂纹是当大桥内部损坏已经到达一定量危险严重程度时释放的一个信息，对这个信息的及时监测可以提高对大桥的安全防范。

与传统电力监测技术相比，光纤传感技术在混凝土监测中有着无可比拟的优势，它能在桥梁的整体控制上进行分布式监测，从而解决了传统电力监测在控制上的空间不连续问题，且不发生漏检、漏报等险情的现象。光纤传感技术的架设便捷、简单，既不对安装部位混凝土质量产生影响，也不影响混凝土的热特性和力学参数。在测量过程中，其传递稳定性能较大程度地传递实际的数据，同时还可与光纤传输系统集成协作，共同组成遥测自动化控制系统。

3.4 其他检测

如今，大桥检测项目很多，除了这些检查项目以外，光纤传感技术还可以运用到对大桥的受力结构附件的检查上，如悬索桥主缆、吊件、系杆、拱桥系杆等的检查；它可测定土木工程结构的预应力或锚固结构，如锚索、锚杆等。通过这些结构的检测值、尺寸和分布等变化，可以精确呈现桥梁的状态，便于监测判断大桥使用性能。

3.5 对钢筋腐蚀的监测

钢筋是混凝土构件的主要骨架，是主承力结构，而钢筋的锈蚀状况也直接决定了这个构件的安全状况。所以，对钢筋的锈蚀实施长期、实时的监控也是智能桥梁的一项主要特征。目前，人们通过沿光缆局部开窗的光纤腐蚀传感器对钢筋锈蚀情况实施了检测。高频带光源所产生的光耦合进入测试光缆后向开窗区射出，假设光缆与被腐蚀金属（钢筋）的间距小于10mm，通过将光信号直接照射钢筋，光对被钢筋表面的局部区域进行了色彩调制，由反馈来的色彩调制信息可以采用标准分光仪传感器传感。输入光的色彩改变说明锈蚀存在，在一条光缆上可以打开很多窗口，用时分复用系统可以判断出一条光缆不同口区返回的锈蚀信号。目前，针对混凝土构件中钢筋锈蚀的光缆和光纤光栅检测和应用研究仍比较少，且由于光缆和光纤光栅的防护问题，大部分研究成果仍处在实验室阶段，不能实现大面积应用[6]。

4 结语

综上所述，桥梁工程可以为该地区的社会经济发展和人们的日常生活工作提供便利。实际桥梁检测效果与所有工程检测密切相关。光纤检测技术非常方便，不会损坏桥梁工程结构。目前广泛应用于桥梁工程应力检测、振动检测和混凝土检测，促进了各种桥梁工程信息的收集和监测，促进了城市化发展。

光纤传感器成本低，适用于远距离检测和大型桥梁工程也可用于其他大型工程检测。随着光纤检测技术的发展随着技术的不断发展，桥梁健康状态的监测也越来越容易，这为桥梁的健康监测提供了长期而实用的依据它是安全检测的技术基础。同时，光纤检测技术也有所帮助推动桥梁结构的深入研究，使桥梁设计更加合理和优秀光纤检测技术具有许多优点和广阔的应用前景。