魏 萌1 谷海敏2
1、北方工程设计研究院有限公司 河北 石家庄 050000
2、河北省建筑科学研究院有限公司 河北 石家庄 050000
摘要：本文结合具体实验数据，对建筑结构加固监测中光纤光栅传感器的应用进行了研究，对光纤光栅传感器的使用优点、原理和具体应用方式进行了分析，得到的结果为：光纤光栅传感器的精度高、稳定性好且抗干扰性优秀，以供参考。
关键词：建筑结构；加固；检测；光纤光栅传感器
1光纤光栅传感器的优点
光纤光栅分布传感技术是光纤传感技术发展的新阶段，它不仅具有一般光纤传感器所有的耐腐蚀、防水、抗电磁干扰且易于与通信网并联等优点，而且因为它具有集成化、本征性、低成本的特点，能串接复用、通过一根光纤能提供各种物理参量的精确和绝对测量的优点?并且因为它们的物理载面和力学强度小，在粘贴或嵌入到主体中不会对其性能和结构造成影响，因而特别适合在结构监测中的运用。它满足了现代土建结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，为解决结构的加固和修复中的上述关键问题提供了良好的技术手段。本文提出将光纤光栅传感技术用于结构加固的检测，通过将自行研制的光纤光栅传感系统与常规的电测技术的对比实验，表明光纤光栅传感技术具有更好的检测精度（达0?1με）、抗干扰能力和长期的稳定性，而且操作简便、迅速特别适合于建筑工程结构的安全监测，作为一种新型传感技术具有极大的推广应用前景。
2光纤光栅传感器原理分析
土木工程行业，比如建筑、桥梁、隧道、大坝等其在后期使用过程中结构内力变化是可以反映出结构的工作状态，而其结构的安全性关系到人们的生命财产安全，所以对结构进行定时检测、维护是极其重要的。光纤光栅传感器技术因为能在各种复杂环境下工作所以在土木工程行业中，常常将传感器置于结构表面或者结构内部，通过对结构的应力检测分析、冲击检测、振动阻尼检测等等，及时发现结构存在的安全隐患。
对于光纤光栅,满足条件的入射光波长(即中心波长)被光纤光栅反射;λ=2nΛ,其中λ为光栅中心波长;n为纤芯有效折射率;Λ为纤芯折射率的调制周期。光纤光栅的工作原理为，当光纤光栅所处环境的物理量发生变化时,光栅周期或纤芯折射率会随之发生变化,使反射光的波长发生变化,通过测量变化前后反射光波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况。在光纤若干个部位写入不同栅距的光纤光栅,就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化,实现分布式光纤传感。
由外界应力引起的光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅光栅反射波长的移动,即ΔλB/λB=kεε，由环境温度发生变化时,光纤光栅中心反射波长的变化为:ΔλB/λB=(α+ζ)ΔT，式中:λB是光栅光栅反射波长,ΔλB为在外界应力作用下光栅光栅反射波长移动量,ε是光纤轴向应变,kε是光纤光栅应变传感灵敏度系数,α为光纤的热膨胀系数,ζ为光纤的热光系数。假设应力和温度引起的波长变化是相互独立的,当应变和温度同时发生变化时,光纤光栅中心反射波长的变化为:ΔλB/λB=(1-Pe)ε+(α+ζ)ΔT,Pe是有效光弹系数。
3光纤光栅传感器的在建筑结构加固检测中的具体应用
一般而言,光纤智能健康监测系统主要由以下三部分构成:光纤传感器系统;信号传输与采集系统;数据处理与监测系统。其中光纤传感器系统,包括了对光纤传感器的选择,光纤传感器网络在结构中的布置方案,选择具体的调制方式和符合性能要求的光纤传感器,并且也要考虑光纤传感器的拓扑方式,考虑到传感器的安装是外表粘贴式还是内部埋入式。信号传输与采集系统包括光纤传感器的样正、采样模块以及海量实时数据的存储结构和方式。数据处理与监测部分是健康监测系统的核心部分,包括大量数据的有效性分析、结构健康性能指标的参数选择、结构运行状态的可视化系统以及相应的灾害提前预警功能等。本文主要是讨论光纤传感器系统。
目前,在土木工程中使用的已经商业化的或即将商业化的光纤传感器主要有:基于光栅反射原理的光栅光纤传感器(可以测量应变和温度);基于Michelson干涉原理的位移传感器;基于Fabry-Perot干涉原理的应变传感器;基于Raman和Brillouin散射原理的分布式温度传感器和基于水凝胶导致光纤微弯损耗原理的湿度传感器等。
一般情况下,光纤传感器在安装时通常都会有5%～10%的损耗,因此在选择传感器时应该加以考虑。具体到工程应用,选择适宜调制方式和符合性能要求的光纤传感器是首要任务,其次再考虑安装方式。光纤传感器的安装方式基本可分为:外表粘粘式和内部埋入式。两种方式适用于不同情况:对于那些在建或者将要兴建的大型工程,用于监测施工过程中材料内部的变化过程或者建成后结构使用期间的状态,用内部埋入式较好;而对于已经存在的工程结构,通常用外表粘贴式,将光纤传感器用胶粘贴在那些对结构中感兴趣参数最敏感的部位,与通常在结构上固定加速度传感器或者应变片相似,来进行结构的安全监测。
4总结
本文简要对光栅光纤传感器系统的应用优点、基本原理和在建筑结构加固监测中的应用方式和安装方式进行了介绍。综上所述，光栅光纤传感器具有较高的监测精度、科学的监测原理，在建筑结构加固监测工作中具有良好的应用价值。
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