光纖光柵傳感器及其在土木工程中的發展應用

時間：2024-07-20 04:26:39 土木工程畢業論文我要投稿

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　　摘要：介紹了光纖光柵的傳感技術及其封裝方式，特別是采用FRP筋嵌入式封裝光纖光柵傳感器(OFBG)制成的FRP—OFBG筋，并對光纖光柵傳感器在土木工程監測中的發展應用進行綜述，以期促進該技術的推廣普及。

光纖光柵傳感器及其在土木工程中的發展應用

　　關鍵詞：光纖光柵，嵌入式封裝，土木工程監測

　　0、引言

　　新發展起來的光纖光柵傳感技術可通過反射中心波長的變化測量由外界引起的溫度、應力應變變化，具有線性程度高、重復性好等優點，可對結構的應力、應變高精度地進行絕對、準分布式數字測量，比較適合結構的健康監測。光纖光柵傳感器除了有光纖傳感器具有的質量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、可分布或者準分布式測量、使用期限內維護費用低等優點外，還具有以下一些獨特優點 J：如測量精度高，抗干擾能力強，可在同一根光纖上制作多個光柵實現分布式測量，測量范圍大，穩定性、重復性好，非傳導性材料，耐腐蝕、抗電磁干擾等特點，適合運用于惡劣環境中，避免了干涉型光纖傳感器相位測量模糊不清等問題。

　　光纖光柵傳感器由于自身的優點在土木工程界得到很大的應用和發展。本文先介紹光纖光柵傳感技術及其封裝方式，并主要闡述光纖光柵傳感器在土木工程領域的一些發展應用情況。

　　1、光纖光柵的傳感技術特點及其封裝

　　1.1 光纖光柵的傳感技術特點光纖光柵就是一段光纖，其纖芯中具有折射率周期性變化的結構。光纖光柵傳感器的基本原理為：光纖光柵可將入射光中某一特定波長的光部分或全部反射。

　　1.2 光纖光柵的封裝

　　1)基片式封裝。將光纖光柵裝在刻有小槽的基片上，通過基片將被測結構的應變傳到光柵上，封裝結構主要由金屬薄片(或樹脂薄片)、膠粘劑、護套、尾纖、傳輸光纜組成。基片式封裝包括金屬基片封裝和樹脂基片封裝，金屬基片有鋼片、鈦合金片等。

　　這種傳感器結構簡單，易于安裝，但容易產生應變傳遞損耗，使得測量精度有所降低。

　　2)金屬管式封裝。管式封裝應變傳感器主要由封裝管、光纖光柵、傳輸光纜、尾纖、膠粘劑組成。該封裝工藝具有加工方便、產品率高、成本低廉等優點，可以滿足工業化大批量生產需要。

　　3)夾持式封裝。主要思想是在鋼管封裝的光纖光柵傳感器的兩端安裝夾持構件，待測結構的應變通過夾持構件傳遞給光纖光柵，其標距長度可根據實際需要改變。此種傳感器具有布設簡單、可拆換、耐久性好、布線方便等優點，可作為橋梁、建筑等土木工程結構施工、竣工試驗和運營監測的表面傳感器。

　　4)嵌人式封裝。這里特別介紹FRP-OFBG智能復合筋。FRP筋是采用連續纖維通過拉擠工藝和合成樹脂基按照一定的比例膠合而成的一種纖維增強塑料筋，在其制備過程中放人光纖光柵，便可得到FRP-OFBG智能復合筋。該復合筋目前研究得比較多，它保留了FRP良好的力學等性能，又具備光纖光柵的傳感特性，而且大大提高了光纖光柵的應變測量量程，是光柵傳感器較好的一種封裝方式。

　　2、光纖光柵傳感技術在土木工程中的發展應用

　　2.1 國外發展應用14,51993年，在加拿大卡爾加里附近的geddington Trail大橋是最早使用光纖光柵傳感器進行測量的橋梁之一，18個光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和碳纖維復合材料筋上，對橋梁結構進行長期監測。

　　1999年夏，在美國新墨西哥Las Cruces 10號州際高速公路的一座鋼結構橋梁上，安裝了120個光纖光柵傳感器，創造了當時在一座橋梁上使用光纖光柵傳感器最多的紀錄。

　　2000年，加拿大在Confederation大橋——世界上跨在被冰覆蓋的海洋上的最長橋中安裝了一系列光纖布拉格光柵傳感器對橋梁進行了健康監測，長期監測冰壓力對橋梁墩柱的作用、溫度影響、交通荷載以及風載下的振動情況。

　　在地下工程、采礦業等方面也開發許多針對性強的光纖光柵傳感器_6J。德國的GFZ Potsdam開發了一種地下巖石挖掘過程中測量應變的光纖光柵傳感器——FBX地腳螺栓。這種新型的傳感器是在一根玻璃纖維增強聚合物巖石地腳螺栓中埋人光纖光柵，用于探測巖石構成和巖石工程結構中的靜態和動態應變。

　　2.2 國內發展應用與國外光纖光柵技術的快速發展相比，我國在這方面的研究工作開展得比較晚。南開大學的董孝義課題組是國內最早研究光纖光柵的部門之一，在光纖光柵傳感領域有著深厚的理論基礎和實踐經驗。

　　在我國，光纖光柵傳感器在橋梁等健康監測方面也有了一定的應用，相當一部分院校和科研單位，如清華大學、哈爾濱工業大學、武漢理工大學以及上海紫柵公司等，開展了一系列研究和工程應用[6，7l。

　　武漢理工大學光纖傳感國家工業試驗基地發展了多種形式的橋梁用光纖Bragg光柵傳感器和光纖Bragg光柵解調器以及相應的監測系統，并構建了一套完整的光纖光柵傳感器的埋設工藝，都取得了良好的經濟和社會效益。

　　哈爾濱工業大學歐進萍院士及其課題組在國家863項目、國家自然科學基金等較多重大項目的支持下，從2001年開始，采用光纖光柵傳感器進行了山東東營黃河公路大橋、黑龍江呼蘭河大橋等10余項橋梁工程的結構健康監測【10]。

　　在地下工程等方面也有一些應用。石家莊鐵道學院的研究人員Ill J將光纖光柵溫度傳感器用于青藏鐵路多年凍土區路基穩定性的長期監測，驗證了光纖光柵傳感器的測試精度和長期穩定性。2006年8月，哈爾濱工業大學的陳風晨等人在北京某已建高速公路上實地埋設了光纖光柵應變傳感器，對瀝青路面進行結構的應變場測試。北京地鐵國貿站項目[13 J將光纖光柵傳感器、光纖光柵一纖維復合筋(FI .0lFBG)應用到地鐵車站的健康監測中，為地鐵車站結構的理論研究和設計方法的完善打下牢固的基礎。

　　目前土木工程監測研究最多的項目之一是索力的監測。就目前FRP-OFBG傳感筋在索力監測運用狀況[17,183看，鋼絞線錨索采用FRP一0 jG筋傳感器進行受力監測的方式大體有兩種：一種是直接增加FRP-OFBG筋法，在索體中，利用錨具內的環氧砂漿固定FRP-CIFBG筋的兩端，或是使用夾具等將傳感筋的兩端與鋼絞線綁在一起，使FRP-OFBG筋和鋼絞線變形一致，組成自監測智能鋼拉索;另一種是直接增加FRP-OFBG智能鋼絞線法，用FRP-OFBG筋替換普通鋼絞線的中絲得到智能鋼絞線，在索體中部分采用智能鋼絞線便可實現錨索的自監測。

　　3、結語

　　光纖光柵傳感器由于尺寸小、線性度優異、重復性好、非磁性、耐腐蝕等諸多優點，在土木工程結構的監測領域備受青睞。

　　目前研究最多的是采用FRP筋嵌入封裝光纖光柵制成的FRPOFBG智能復合筋，極大的提高了裸光柵的應變測量量程，它是一種較優異的傳感器。工程中可通過采用直接增加FRP—OFBG筋法或直接增加FRP-OFBG智能鋼絞線法對索力等進行監測。

　　但目前對基于FRP.OFBG筋的監測技術的相關研究還比較少，技術尚不夠成熟和完善，相關的工程應用也很少，其研究應用工作有待進一步拓展和深入。

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