重庆交通大学 重庆 400074
摘要：光纤传感技术作为一种无损检测技术，有效避免了传统桥梁检测技术缺陷，为桥梁检测事业的发展注入了新动力。本文基于光纤传感技术的基本原理，阐述了光纤传感技术与传统桥梁检测技术的差异性，进而探讨了光纤传感器在桥梁检测中的具体应用，并指出了光纤传感器在桥梁健康检测应用中存在的问题。
关键词：桥梁；光纤传感技术；检测；应用
一、引言
近几年，随着我国交通量的快速增长，使得桥梁负荷日益提高，从而导致桥梁不断出现路面破损、结构构件损伤等不同程度的病害。最初由于受到科学技术水平的限制，我国与欧美国家相比，在桥梁检测相关规定方面相对较晚。
20世纪70年代，随着光纤传感技术的出现，对桥梁检测事业的发展起到了重要作用。光纤传感技术作为一种新型桥梁结构无损检测技术，能有效克服传统桥梁检测技术在线缆布设工作量大、易受环境影响等方面的弊端，同时也节省了大量的人力和财力资源。
二、光纤传感技术概述
（一）光纤传感器的工作原理
光纤传感器包括光源、光纤和探测器三部分。光纤传感器具体工作原理为：光源发射出的光束由光纤传至调制区域；在此区域内，光束与桥梁待检测部位发生相互作用，使光束变位可调至的信号光；信号光再由光纤传送至光探测器内，形成人类可以识别的数字参数。
光纤参与工作是基于光的全反射原理。光纤可约束并引导光束在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播，从而实现“传”和“感”的一体化，是一种非常重要的智能材料。因此，近年来，光纤传感器在桥梁结构的检测中也扮演着越来越重要的角色。
（二）光纤传感器的分类
根据检测范围及精度不同，光纤传感器可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器和分布式光纤传感器三种类型。
点式光纤传感器的传感元件与结构构件尺寸相差较大，与测量应变的电阻应变片类似。如，F-P光纤传感器等。
积分传感器可在一定范围内测量某个参数的积分值（平均值）。测量积分值的空间范围由诸如智能结构的尺寸之类的因素决定。如，光纤偏振干涉仪等。
分布式光纤传感器中的光纤既用作传光媒介又用作传感元件，主要特征参数是空间分辨率和灵敏度。其适用于大型结构的无损检测和监控，可适用于许多特殊环境，有着非常可观的应用前景。如，分布式光纤温度传感器等。
（三）光纤传感器的特点
基于电检测技术的传统的桥梁检测，其工作原理是利用电阻应变片与电阻变化之间的相关规律进行应变测量。该种方式存在的缺陷：一是易受现场检测环境影响，如因空气湿度较大，使得线路电阻增大，造成短路等问题；二是存在较大安全隐患，如因高温、线路老化等，造成火灾、爆炸等事故。
光纤传感器中的传输媒介是光信号，传输工具为光纤，相较于电测技术，光纤传感器在桥梁检测中具有以下优势：
(1)光纤多为石英材质，这种材料高绝缘、寿命长，并且耐高温、耐高压、耐腐蚀，化学稳定性较好，能在特殊环境下可靠运行；
(2)光是光纤传感器的载体，其频率的数量级较大，因此传感器频带范围宽，动态范围大，传输容量大，测量速度快，且检测过程不受电磁场干扰，从而有效地提高了灵敏度和分辨率；
(3)光纤传感器体积小、重量轻，柔韧性好，易做成符合检测要求形状的传感阵，且桥梁结构不会产生任何结构性伤害。
三、光纤传感器在桥检中的应用
（一）混凝土结构检测
混凝土是桥梁中不可或缺的重要组成部分。但在桥梁在长期服役过程中，混凝土材料在多种因素影响下会产生不同程度的裂缝。根据开裂程度的不同，混凝土裂缝可分为贯穿裂缝和深裂缝。其中贯穿裂缝的出现会严重降低桥梁的承载能力，直接威胁着桥梁的整体安全。
因此，在桥梁内部损伤检测时，加强对裂缝所释放的病态信号的捕捉，可以在很大程度上保证桥梁在使用期间的安全性。
在混凝土检测方面，光纤传感器的优势在于可以同时对桥梁整体结构进行检测，而且可采用分布式检测方法，避免出现漏检和漏报参数的问题，并且检测数据传输十分稳定。光纤传感器架设方便，操作简单，并且可保证混凝土的性能和力学参数不受影响。
（二）桥梁结构振动检测
光纤传感器在进行桥梁结构振动检测时的工作原理是，在结构表面粘贴信号光纤或在桥梁结构内部预埋入信号光纤，在桥梁发生振动时，信号光纤与桥梁结构产生同步振动，此时光纤信号中的输出光也会随之发生周期性变化，探测器接收到被调制的信号光，经过对振动信号的FFT(Fast Fourier Transform)系统处理后可获取桥梁整体或局部的振动频率和振幅等参数，从而使得桥梁结构日常振动状况的检测得以实现。
（三）桥梁结构应变检测
桥梁内应变是评价结构能否正常使用的主要参数之一。根据光纤传感器工作原理，将光纤传感器安装在初始位置后，进行有效标注，标注的主要作用是为了获取电阻片型传感器与应变检测器之间的内在数据关系。在开展桥梁应变的有效测量时，需要保证安装应变相应传感器时，避免与周边环境发生剧烈冲击、震动冲击及相应的速度冲击等，空气相对湿度不大于85%，环境温度为20℃±5℃，大气压保证在1.05MPa左右。在此静态标准下，最终可以得到传感器的标定曲线。现阶段，检测桥梁结构局部应力主要采用F-P光纤传感器，检测桥梁结构分布应力主要采用光纤布拉格光栅传感器。
四、光纤传感器在桥检中存在问题
现阶段，光纤传感器还存在一定的缺陷，因此在实际应用的过程中还有许多方面需要关注。
1.桥梁结构的设计寿命一般为50～100年，对于新型的光纤传感器（如：波长调制型光纤传感器）在桥梁结构中应用时间较短，其长期性能和耐久性尚未得到验证。
2.光纤之间进行连接时需采用熔焊法，该方法所需工艺要求高，且专用设备价格昂贵。若选用预先准备的专用连接器件，不仅会增加成本，还会损失光能。
3.对于嵌入混凝土中的光纤传感器，除了要求元件自身强度外，还须观察连接点和引出光纤间的连接可靠度。对于表面粘贴或焊接的光纤传感器，短期使用时，尽可能重复使用元件，节约成本。长期使用时，必须考虑粘接剂的耐久性和传感器的防护。
4.当串接使用多光纤光栅时，不仅要注意每个光纤光栅与测量点的对应关系，还要准确选择每一光纤光栅的布拉格波长。既要保证与光学解调仪的匹配，又要注意使用时各个峰值不会发生重叠而影响测量结果。
五、结语
通过系统分析现有光纤传感器的工作性能以及应用特点，可以得出以下结论。
1.光纤传感器与传统桥梁检测技术相比，具有诸多优势，如重量轻、体积小、抗电子干扰能力强、耐腐蚀、灵敏度高、测量带宽广等。目前，光纤传感器在土木工程领域中应用较多的有M-Z干涉型光纤传感器、F-P腔式光纤传感器及光纤布喇格光栅传感器等。
2.光纤传感器在嵌入混凝土时，可能会因混凝土的凝结硬化、振捣等因素导致传感器失灵，故在实际操作中仍需改进。从另一个方面说，光纤传感技术有助于推动设计人员深入研究桥梁结构，使桥梁设计更合理、更完善。
3.光纤传感技术在我国的桥梁检测方面还具有较大发展空间。该技术涉及到传感、信号处理及振动理论等多学科知识，只有各项技术协调发展，才能利用光纤传感器较为全面且准确的了解桥梁结构状况，从而保障桥梁结构安全性。
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作者简介：李永霞(1994-)，女，汉族，河南周口人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：桥梁与隧道工程