光纤传感器在土木工程中的应用_曹照平

2000年

第　4　期南京建筑工程学院学报JournalofNanjingArchitecturalandCivilEngineeringInstituteSumNo.55文章编号:1003-711X(2000)04-0047-04

光纤传感器在土木工程中的应用

曹照平,　王社良,　马胜利123⒇

(1.西北建筑工程学院管理工程系,陕西西安710061;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;

3.西安高科实业股份有限公司房地产分公司,陕西西安710075)

　　摘　要:在传统的土木工程结构中埋入光纤作为传感元件进行结构强度、变形、损伤、振

动和施工质量的监测,同时再埋入驱动元件,如形状记忆合金等,并将控制元件和信息处理系

统与之结合,形成具有智能功能的土木工程结构,就可自动对结构进行信息采集、分析及处

理,从而实现土木工程结构的自检测、自诊断、自修复、自适应等诸多功能。文中主要就目前光

纤传感器的类型和特点进行了分析,同时对国内外光纤传感系统在土木结构中的研究开发与

应用实例进行了回顾,并且展望了光纤传感技术在土木结构中的应用前景。

　　关　键　词:光纤传感器;土木工程结构;应用前景

　　中图分类号:TU5　　文献标识码:A

　　智能结构系统是近几年国际上新兴的一门多学科交叉发展的前沿研究领域,它是将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中,使之成为具有人们所期望的智能功能的结构。智能结构集成有传感、作动和控制系统,能够进行自我感知、自我诊断和自我调节,从而使结构能够对内部状态的变化和外部环境的激励作出恰当的反应。智能结构中的传感系统相当于人体中的神经元,执行系统相当于人工肌肉,控制系统相当于人的大脑,这样就可以给传统的工程结构赋予新的生命特征。目前,智能结构的研究与开发应用已受到世界各国的极大重视,并且早在80年代末和90年代初就已经进行了大量的基础研究和工程应用工作。

众所周知,土木工程结构和重大基础设施的设计基准期较长,使用环境比较恶劣,故在其使用过程中,由于环境荷载的作用、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响,结构将不可避免地产生损伤积累和抗力衰减,甚至因此而导致灾难性突发事故的发生。为此,人们迫切希望能够赋予土木工程结构一定的示警或者感知失事的智能功能,从而使土木工程结构能够在失事之前通过自己的感知系统感知结构内部状态的变化,作出必要的预警措施或者进行结构的自动加固及自动修复,以弥补结构中已经产生的“伤痕”或“裂缝”。这就像人的骨头折断⒇　收稿日期:2000-03-27

基金项目:国家自然科学基金(59878044).学院博士基金资助项目:(,,.

48南京建筑工程学院学报　　　　　　　　　　　　　2000年后,只要对好骨缝,断骨就会自动长在一起,形成了结构的自愈合功能。此外,当结构的某些局部发生损伤或破坏后,结构的另一部分就会立即自动加固予以弥补,并对结构上所作用的荷载进行重新分配。这就像人的一只脚受伤后,人就会立即把重心移到另一只脚上,以减轻伤脚的负荷一样。这样一来,结构的损伤就不会进一步加大或加深,裂缝也不会继续扩大或发展,从而使结构自动避免一些灾难性的突发事故[1]。为此,对于已建或新建的土木工程结构,均需设置一定的健康检测、诊断、评定、修复和控制系统。

但是,一般地说,土木工程结构和重大基础设施都具有体积大、跨度长、分布面积较广和使用期限较长等特点,传统的传感器件组成的长期监测系统在性能的稳定性、耐久性和分布范围等方面都难以满足实际工程的需要。因此,需要针对土木工程结构的特点研制具有高性能的感知材料和灵敏高效、耐久稳定的智能型传感系统,以满足大型土木工程结构的健康诊断和安全评定的需要。值得注意的是,近年来在智能材料结构系统的研究领域中,高性能的感知材料和智能型传感系统的研究已经取得了长足的进展,如将其集成或应用于传统的土木工程结构中,就会使土木工程结构具有像智能结构那样的自感知和自适应等诸多智能属性的可能也成为现实。本文主要结合智能材料结构系统在土木工程结构中的应用特点,论述了国内外光纤传感技术在土木工程结构中的研究与应用现状,并对其应用前景进行了展望。

1　光纤传感器的特点和类型

智能材料结构系统中常用的传感材料主要有压电、形状记忆合金和光导纤维材料。由于光导纤维材料具有径细、柔韧、体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、能耗小、造价低廉、便于实现分布式和准分布式检测、集信息传输和传感于一体等特点,加之宽频带和高数据传输率以及耐高温、抗腐蚀等优良特性,一直被认为是智能结构系统中的首选传感材料,并已经开始应用于土木工程结构中的“神经元”。其基本原理和应用特点是在土木工程结构中(或在其表面)埋入(或粘贴)光纤传感器,通过分析光的传输特性,如光强、相位和波长等,就可获得光纤周围材料的应力、压强、电场、磁场、密度、温度、化学成分、x射线和V射线等量的变化,从而实现对土木工程结构的健康状态参数和安全可靠性进行实时、在线、动态监测与控制,为人工智能和神经网络技术在土木工程中的应用奠定了坚实的物质基础。

光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成。纤芯和包层具有不同的折射率,树脂涂层对光纤起保护作用,特别是当光纤埋入混凝土中时,可保护光纤不受碱环境的侵蚀,然而对于应变传感器,由于树脂的弹性模量较低,对混凝土的应变向光纤传递具有一定的影响,因此涂层的厚度应尽可能的薄,或者选择弹性模量较大的树脂。光纤的塑料护套可起到对光纤的进一步保护作用,使之可以方便可靠地埋入混凝土中,并可实现分布式传感和传感器的复用。

广义地说,凡是采用了光纤的传感器都可称为光纤传感器,它主要可分为两种类型,即本征和非本征传感器。在本征传感器中,外界待测量作用于光纤并引起光纤几何参量或物理参量的变化,从而对在光纤中传播的光波的特征参量产生调制(如强度、频率、相位、偏振等参量的调制),再通过光探测器和检测电路将调制信号转换为电信号。光纤不仅有传感光的作用,而且本身就是敏感元件,故称之为功能性光纤。在非本征传感器中,仅利用光纤的传光功能,外配其,。

第4期　　　　　　　　　　曹照平等:光纤传感器在土木工程中的应用49型的光纤传感器都在土木工程结构的健康检测与诊断中有着广阔的应用前景。

2　光纤传感器的国内外研究现状及应用实例

1989年,美国布朗大学(BrownUniversity)的门德斯(Mendez)等人首先提出了把光纤传感器用于混凝土结构的健康检测。此后,加拿大、日本、英国、德国等许多国家的研究人员都对光纤传感系统在土木工程中的应用进行了大量的研究工作,其中以美国的韦尔蒙特大学(Ver-montUniversity)的研究成果较为突出。我国多家研究机构对此也进行了深入的研究,代表性的主要有重庆大学等单位的研究成果。特别是经过近几年的研究,已有将各种光纤传感器埋入建筑结构、桥梁、水坝等大型土木工程结构中的报道,其目的主要是用于检测结构的应力、应变、振动、损伤和裂缝等,并已经取得了较好的测试结果。例如,对于桥梁结构,由于其跨度越来越大,人们就更加关注桥梁结构的安全,于是在此投入的研究力量也较多,取得的研究成果也比较突出。其主要思路是在现有的桥梁结构上埋入或粘贴光纤传感器,由光纤传感系统检测桥梁结构所受的荷载以及桥梁结构在荷载作用下的效应,从而评价桥梁结构的安全性。

1989年,Fuhr等人在美国89#州际公路桥上粘贴了光纤振动传感器用于检测桥的共振频率;1992年,Wolff等人在德国Keverkusey市的一座桥的上下表面各埋入了一些光纤传感器检测桥梁的应变、裂缝和腐蚀情况并用来估计桥梁的安全状况[2];1992年,Fuhr和Huston等人在Vermont大学附近的一座铁路桥中埋入和粘贴了单模和多模光纤以及部分光纤束和光缆,以检测铁路桥在火车经过时的振动情况,从收集到的振动信息来了解桥的工作情况;1994年,Habel和Hufman等人在德国柏林市区一座桥的钢筋上粘贴了光纤干涉应变传感器,用来测量钢筋在车辆经过时的变形和振动[3];1994年,在德国的Calgary市建成了第一座由预应力碳纤维复合材料和钢筋组成的桥,在碳纤维中加入光纤布拉格光栅应变传感器,以检测碳纤维预应力的损失情况;1995年,Fuhr和Huston等人在桥梁结构的钢筋上安装了光纤腐蚀传感器,以测试钢筋的锈蚀情况等。

对于建筑结构和其它结构,也有不少这方面的研究报道。例如,1992年,Fuhr等人在Ver-mont大学校园内的Stafford大楼里埋设了4km长的各种单模和多模光纤传感器,这座大楼是世界上第一座埋入光纤传感器的机敏建筑,光纤传感器在建筑结构内部构成一个传感网络,以检测结构所受到的振动和所承受的风压等,并由埋在关键部位的光纤温度传感器和光纤应变传感器测量关键部位的应变和温度,同时评估结构的安全状态;1992年,Teral等人将光纤偏振传感器粘贴在一个路面结构的表面,偏振传感器输出的信号中包含路面车辆的重量和速度,这些信息可用于路政管理;1995年,Inaudi等人将光纤传感器埋入地下土建结构如桩基和隧道等,以检测桩基和隧道的受力情况;1992年,Holst在德国的一座混凝土水坝中埋入两种类型的光纤传感器,分别测量混凝土的应变和大坝各段的水平位移;1993年,Fuhr等人在Winooski水电大坝中埋入了约6.4km长的各种光纤,主要用于检测水坝的振动以及大坝上游表面的水流速度和水压力的大小。他们还充分利用国际互联网提供的资源互享功能,任何一个国家互联网用户都可通过FTP下载Winooki水电大坝光纤传感系统的数据文件,探讨对水坝安全状态的看法等,这也可能是今后土建结构状态信息处理的一个发展方向。

50南京建筑工程学院学报　　　　　　　　　　　　　2000年3　光纤传感技术在土木工程结构中的研究与应用展望

把智能材料结构系统应用于传统的土木工程结构的健康检测与诊断是一个崭新的研究领域,它彻底地改变了土木工程结构传统的以人工目视检查为主的检测手段,使检测技术进入了自动化和职能化的研究领域。但是,由于过去在这方面的研究基础比较薄弱,加之土木工程结构中的传感原理研究困难,同时还有传感系统和数据处理系统的经济性等问题,使得这方面的研究工作进展比较缓慢。然而,只要我们加强基础研究,抓住重点并选择合适的检测参数,光纤传感材料与系统在土木工程结构中的应用前景就会非常广阔,它不仅能给古老的土木工程学科带来勃勃生机,而且也具有重大的科学意义和社会效益。

参考文献:

[1]　黄尚廉.智能材料系统与结构——工程构造安全监控的一条崭新思路[J].世界科技研究与发展,1996,

20(3):61-64.

[2]　WOLFFR,PHILIPPM,URSS.Applicationandreliabilityofafiberopticalsurverllancesystemfora

228.staycabiebridge[J].SmartMaterials&Structures,1998,7(2):217-

[3]　HABELB,HUFMANB.Monitoringofprestressedconcretestructurewithopticalfibersensors[J].

SPIE,1993,1919(1):23-29.

StudyonApplicationofFiberOpticSensorstoCivil

EngineeringStructures

123CAOZhao-ping,　WANGShe-liang,　MASheng-li

(1.Dept.ofManagementEng.NorthwestInstituteofArchitectural&CivilEngineering,Xi-an710061,China;

2.CollegeofCivilEngineering,Xi-anUniversityofArchitecture&Technology,Xi-an710055,China;

3.TheRealEstateBranchofHigh-TechInduslralCO.Ltd.,Xi-an710075China)

　　Abstract:Auto-monitoring,diagnosing,forecasting,estimatingandcontrollingthehealthstateofstructureandqualityofconstructionisoneofthehotresearchsubjectsathomeandabroad.Atthesametime,itisguidedbythebionics,artificialintelligenceandsystemcon-trol,thustheeffortcanmakethetraditionalbuildingstructurealive.Itwantstomakebuildingsensingthechangeofthebuildingresultingfromthenaturalcalamity,thenthedam-agecanbedecreasedbymaximumextent.Itdevelopsthetraditionalbuildingfromnon-changeable,non-intellective,non-vitaltochangeable,intellectiveandvital,soitproducestremendousinfluenceonscienceandhaswidepromisingengineeringutilization.Inthispa-per,abriefintroductiontotheconceptofvitalbuildinganditsconnotation,whichisthefo-cusofpresentresearchandapplicationonvitalbuilding,isputforwardinthebeginning,anddiscussedindetail.

Keywords:fiberopticsensor;civilengineeringstructure;futureofapplicationofoptic