光纤传感器 在土木工程健康监测的新应用外文翻译资料

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光纤传感器

在土木工程健康监测的新应用

摘要：

本文介绍了目前在土木工程应用的结构健康监测领域的研究和开发的状况。具体而言，本文回顾了光纤传感器在各种关键的民用建筑结构健康监测的使用情况，包括建筑物，桩，桥梁，管道，隧道，水坝。简要描述了三个常用的光纤传感器。 最后，讨论了在民用结构健康监测中实施安装光纤传感器的现有问题和有希望的研究工作。

关键词：结构健康监测、光纤传感器、内部安全

1.引言

近年来，结构健康监测在研究和开发中备受关注。这反映了重要的民用基础设施，特别是长跨度桥梁的不断恶化条件。其中，许多建于20世纪50年代的建筑的设计寿命为40至50年。这些缺陷结构的坍塌和损坏引起世界各地对结构完整性，耐久性和可靠性等越来越多的关注。

目前，还没有足够的防护措施保证结构的绝对安全。只有在由于损坏积累导致的迹象足够严重和明显之后，才对结构进行劣化和损坏测试。当这种试验的必要性变得明显时，损害已经严重影响了系统的可靠性，甚至在许多情况下，一些结构甚至濒临倒塌。虽然对于一些国家的重要结构，常规视觉检查是强制执行的，例如美国的桥梁，但其在寻找所有可能的缺陷方面的有效性是值得怀疑的。穆尔等人[ 1 ]最近关于美国联邦公路管理局的一项调查透露，考虑到视觉检查检验作用不大，至多68%的条件评级是正确的，深入的检查不能找到内部缺陷。

结构健康监测（SHM）是指在运行条件下对关键结构和环境参数的原位，连续或常规测量和分析，以便早期警告人们即将发生的异常状态或事故，以避免人员伤亡以及提供维修和康复咨询。Housner [2]补充了这个暂时提出的结构健康监测的定义，这个定义强调了结构健康监测提前警戒能力的本质。

通常，典型的结构健康监测系统包括三个主要部分：传感器系统，数据处理系统（包括数据采集，传输和存储）以及健康评估系统（包括诊断算法和信息管理）。结构健康监测中使用的传感器不仅需要监测结构状态，例如应力，位移，加速度等，还要监测风速，温度和基础质量等环境影响参数。由于许多传感器将涉及健康监测系统，因此大量数据的采集，传输和存储对于这种连续监测是一项极具挑战性的任务。例如，青和汲水门桥原始数据以每小时63.46MB的速度获得，汀高桥原始数据的采集速度为每小时55.87 MB [3]。因此，提出了许多用无线[4,5]，GPS [6]或GIS [7]的数据采集，传输的方法及数据归档和管理架构[8]来处理这个问题。尽管嵌入传感器和成功收集数据对健康监测的应用非常重要，但最后一步是正确地解读来自各种类型传感器的数据，从而了解结构达到临界状态的负载能力，系统可靠性等，即结构的健康状况[9]。在这一关键步骤中，基于模态分析，模式识别和时间序列分析的预测和诊断算法是检测结构故障存在，位置，幅度和程度的最有效方法[10]。此外，信息的分析应该是方便用户去改善操作和维护管理决策。结构健康监测的另一个关键功能是提前警告持续的危险或未来事故的能力。

尽管完全实现这样一个吸引人的场景并不是一项简单的任务，但是从实验室到现场已经开展了几个项目来实施应用部分结构健康监测系统。连接香港及新机场的青衣，汲水门及汀九桥梁，是最重要的健康监测桥梁。风荷载以及温度，交通负载，几何配置，应变和全局动态特性是这些桥梁的主要问题。在青马大桥的786个永久性安装的传感器中，风速计，温度，应变和加速度传感器占了主要的一部分。监测的结果验证了设计的性能 [ 11 ]。日本明石大桥健康监测系统也采用了类似的传感器。1998年9月监测的5.17米的横向位移与数值模拟吻合良好。美国的巴里大桥和贝尼卡 - 马丁内斯桥也是结构健康监测的重要例子[12]。在巴里大桥中，近500个通道的实时图像和数据结合其有限元模型用于桥梁的维护和管理，以获得最大的效益。韩国，加拿大，印度，哥伦比亚等国家也在实施其他健康监测系统的重大举措[13]。

用于上述健康监测应用的大多数传统传感器是用电信号进行传输的，其局限性变得越来越明显。这些传感器通常不够小或耐用，不足以嵌入到结构中以测量内部特性。它们是局部（或点）传感器，其仅限于在一个位置仅测量参数，重复使用比较困难。长导线也对通常跨越数十公里的大型民用建筑构成问题。 在某些情况下，由于电或磁干扰（EMI），信号不能与噪声区分开来。另外，不同的传感器需要各种解调技术。这些都增加了传统传感器在结构健康监测中的不便。 光纤传感器（FOS）在民用结构健康监测系统和未来的智能结构中是具发展前景的传感方式。与传统传感器相比，它们具有灵活性，可嵌入性，多路复用和抗电磁干扰等优点[14]。近20年来，光纤传感领域的国际研究日趋激烈。在以下部分中，我们将介绍这种有可能的技术，并描述其在土木工程的健康监测中的应用。

2.三种用于结构健康监测的光纤传感器

1978年发明了第一种光纤传感器，一种闭环光纤陀螺，以取代三角火箭上的机械旋转陀螺仪[15]，这种光纤传感器的概念源于光纤通信。在将光从一个地方输送到另一个地方时，由于各种环境扰动，光纤经历几何（尺寸和形状）和光学（折射率和模式转换）变化。这些现象使得各种不利影响最小化，从而使信号传输平稳可靠。 然而，还发现可以采用这种光学变化来测量外部环境参数。因此，光纤在传感器应用中发现了其优势。 调查表明，温度，应变，旋转，电，磁流等的敏感扰动可以转换或编码为相应的变化，例如透射光的振幅（强度），相位，频率，波长和偏振。这些变化可以由适当的解调系统最终检测到[16,17]。 随着光纤通信的快速发展和批量生产，以及受益于纤维价格的下降，光纤传感正逐渐成为一个繁荣的行业。许多技术已经研发了用来测量各种物理和化学参数。 因此，光纤的测量系统已经从研究实验室向实际工程应用过渡，并已在航空航天，复合材料，医药，化工产品，混凝土结构和电力行业中得到广泛的应用。

光纤传感器的市场容量从1997年的3.05亿美元上升到今年的5.5亿美元[18]，其中温度，应变和压力传感器占光纤传感器产品总量的40％左右[19]。目前正不留余力地研发经济光纤传感器和相关查询系统让其得到更广泛的工程应用。光纤是用于限制和引导光的电介质器件，其通常由三部分组成：纤维芯，包层和护套。 用于感测应用的大多数光纤具有二氧化硅玻璃芯和包层，并且符合包层的折射率低于芯的折射率以满足斯涅耳定律的全内反射条件，并且因此限制光只沿纤维芯传播。光纤传感器的最外层称为夹克，通常是塑料制成的纤维，具有适当的机械强度以保护它免受损害或吸湿。在一些传感应用中，需要一个专门的护套，以提高光纤的测量灵敏度，以适应主体结构。

通常，与其他类型的传感器相比，光纤传感器的特征在于其高灵敏度。 由于其介电结构，它本质上也是被动的。 特制的纤维可以承受高温和其他恶劣环境。在遥测和遥感应用中，可以使用一段光纤作为传感器压力计和长度的长度相同的光纤来将感测信息传送到远程站。覆盖大型结构和广阔地理位置可以部署分布式和阵列传感器。 通过由光纤元件制成的许多信号处理装置（分路器，组合器，多路复用器，滤波器，延迟线等）可以实现全光纤测量系统。

表1列出了可用于土木工程应用的光纤传感器的类别。光纤传感器的一种分类方法是按被感测参数影响的光特性（强度，波长，相位或极化）进行分类的。另一种方法是通过光纤内部或外部（内在的或外在的）修改传感段内的光来对光纤传感器进行分类。 根据感测范围，光纤传感器也可以分类为局部（或点），准分布和分布式传感器，这里采用这种分类方法来组织本节的其余部分。

表1 用于民用结构健康监测的光纤传感器

a可配置测量位移，压力，温度。

b可配置测量位移，加速度，压力，相对裂隙和倾斜度等。

c分辨率高达0.1mu;应变。

d分辨率高达0.2mu;应变。

e高达25公里，空间分辨率为5米。

2.1 局部光纤传感器

许多测量强度的传感器，例如微弯传感器和大多数干涉式光纤传感器是本地传感器，其可以测量结构中指定的局部点处的变化。 干涉式光纤传感是迄今为止最常用的本地传感器，因为它们具有最佳的灵敏度。该感测技术主要依赖于检测当光沿光纤传播时在光中引起的光学相位变化，来自光源的光被均匀地分成两条光纤引导路径（一条是参考路径），然后将光束重新组合以相干的形式混合，并形成与两个光束之间的光学相位差直接相关的“条纹图案”。 这种干涉测量传感器的最常见配置是Mach-Zehnder，Michelson和Fabry-Perot FOS [20，21]。其中，Fabry-Perot（F-P型腔）光纤传感器和所谓的长规光纤传感器（LGFOS）是土木工程中常用的两种局部传感器。 Fabry-Perot 光纤传感器根据白光互相关原理，可以提供绝对的法布里 - 珀罗腔长度测量，具有准确的精度（图1）。除了应变感应能力外，F-P传感器还可以用不同的配置来测量压力，位移和温度。 LGFOS是由两个低相干双迈克逊干涉仪组成的（图2）。两个传感器测量是沿着量具的两个固定点之间的平均应变，并具有可选的温度补偿。长度传感器测量的长度范围为0.2至50米。

图1 法布里 - 珀罗光纤应变传感器

图2 长规格光纤应变传感器

2.2 准分布式传感器

光纤布拉格光栅（FBG）传感器是一种典型的准分布传感器，可以很容易地重复用于测量许多位置的应变。 布拉格光栅是用于单模光纤的纤芯的折射率的永久周期性调制。核心折射率的变化在10-5和10-3之间，布拉格光栅的长度通常约为10mm，远远长于长周期光栅（LPG）[22]。 这种技术起源于Hill等人[23]在1978年发现的锗掺杂二氧化硅的光敏性。后来Meltz等[24]设计了一种更有效的横向全息方法，极大地增加了FBG应用的范围。 现在相位掩模技术取代了上述两种方法，并常用于商业化形成内核光栅[25]。 可以采用氢气加载和火焰刷涂等技术，在激光照射前增强掺锗单模光纤的光敏性[26]。

FBG的原理描述如下：当光纤内的光照射到布拉格光栅上时，正向波和反向传播光波之间的相互干涉导致当布拉格（或相位匹配）条件下满足光的窄带背反射（图3）。因此，光纤布拉格门控可以作为内在传感器。任何局部应变或温度变化都会改变核心折射率和光栅周期，随后反射光波长的变化。 波长变化可以由采用边缘滤波器，可调窄带滤波器或CCD光谱仪的询问器来检测[27,28]。

可调窄带滤波器是商业上广泛的询问系统。图3显示了FBG传感器的波长复用方案，原理和波长位移。选择FBG和相关的询问系统主要有几个考虑。例如，光栅的光谱重叠改变了相邻的期望波长[29]。 对于另一个实例，测量波长的边带，询问滤波器和可调谐光源也在系统中引入误差。

尽管有这些担忧，FBG传感器与其他光纤传感器相比也具有其独特的性能，因为它们对波长进行的编码是绝对参数，不会受到光路的干扰。 当沿光纤布置不同周期的光栅时，FBG传感器可能特别有用。每个反射信号将具有一个独特的波长，并且可以很容易被监测到，从而实现多路复用输出的多个传感器使用一个单一的纤维（图3）。目前，高达64的光纤光栅波长在一根光纤理论上可以复用，允许准分布式应变测量。FBG传感器在许多土木工程应用中是优先选用的，并且已被成功应用于需要多点传感分布在多个范围上的几个全尺寸结构。

图3 光纤布拉格光栅传感器的复用方案原理和波长漂移

2.3 分布式光纤传感器

分布式传感器是最适合于大型结构物，因为所有节段的光纤都可作为传感器，因此可以感知结构的各个部分内的扰动。分布式传感器依赖于光纤中的光强度的调制。结

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