關(guān)于橋梁檢測(cè)中光纖傳感技術(shù)的運(yùn)用論述

周志強(qiáng)（甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州7300500

關(guān)于橋梁檢測(cè)中光纖傳感技術(shù)的運(yùn)用論述

周志強(qiáng)
（甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州7300500

針對(duì)用于橋梁檢測(cè)過(guò)程中的新型技術(shù)—光纖傳感技術(shù)進(jìn)行原理分析和闡述，并在此基礎(chǔ)上，提出此項(xiàng)技術(shù)與傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)技術(shù)之間所展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，最后結(jié)合自身多年的工作經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)學(xué)術(shù)資料，簡(jiǎn)述光纖傳感技術(shù)在使用過(guò)程中的具體細(xì)節(jié)，筆者希望憑借自身多年從事橋梁檢修的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，給與從事該行業(yè)的相關(guān)從業(yè)人員提供一些有價(jià)值的參考，并以此起到拋磚引玉的作用。

橋梁檢測(cè)；光纖傳感技術(shù)；運(yùn)用

在我國(guó)范圍內(nèi)，因?yàn)榇嬖谟休^多的河流水域，因此針對(duì)橋梁開展的工程施工是我國(guó)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施修建的十分重要的部分。所以，針對(duì)橋梁自身安全性的質(zhì)量檢驗(yàn)，是關(guān)系到國(guó)家發(fā)展和人民生命安全的重要事項(xiàng)。筆者從多年從事橋梁檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，認(rèn)為當(dāng)下我國(guó)在進(jìn)行橋梁檢測(cè)的過(guò)程中，絕大多數(shù)是采用了較為傳統(tǒng)的電檢測(cè)方法，使用這種方法進(jìn)行橋梁檢測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，往往出現(xiàn)有很多問(wèn)題。例如相關(guān)儀器設(shè)備容易受到電磁的干擾，儀器不能在潮濕的環(huán)境中過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。并且在使用該方法進(jìn)行橋梁檢測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，需要在橋梁的諸多位置放置數(shù)量極多的傳感器，在進(jìn)行放置的過(guò)程當(dāng)中，往往需要消耗大量的人力、物力以及財(cái)力。而使用光纖傳感技術(shù)就可以很好的避免上述問(wèn)題，并且檢測(cè)結(jié)果也更加精準(zhǔn)，因此值得大力推廣。

1　關(guān)于光纖傳感技術(shù)和傳統(tǒng)電檢測(cè)技術(shù)的比較

1）橋梁的檢測(cè)方法。

在我國(guó)，開展橋梁檢測(cè)一般來(lái)說(shuō)都是使用較為傳統(tǒng)電檢測(cè)的辦法，即在橋梁當(dāng)中的某一部當(dāng)中進(jìn)行電阻片的粘貼，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。該方法的科學(xué)根據(jù)是將電阻片安裝為橋式結(jié)構(gòu)，并由此對(duì)橋梁發(fā)生的變化進(jìn)行感應(yīng)，通過(guò)電能傳導(dǎo)的方式，使應(yīng)變變化△ε和電阻片當(dāng)中電阻大小發(fā)生的變化△R的關(guān)系用公式△R=α△ε進(jìn)行表示，其中α代表應(yīng)變率，以此進(jìn)行橋梁的檢測(cè)工作。

而光線傳感技術(shù)是使用光纖針對(duì)指定的物理量較為敏感的特點(diǎn)，把外界的相關(guān)物理量直接轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢酝ㄟ^(guò)檢測(cè)得到的信號(hào)的一種手段。因?yàn)楣饫w不但能夠成為光線的傳播介質(zhì)，并且在光線進(jìn)行傳播的過(guò)程中，會(huì)帶有該光線的特征數(shù)據(jù)。例如，光波的振幅、光波的波長(zhǎng)以及光波的相位等信息。而光線中的這些信息往往很容易受到外界原因的干擾而產(chǎn)生變化，這些干擾包括有溫度、壓力、磁場(chǎng)、位移、電場(chǎng)等。由此，技術(shù)人員就可以通過(guò)光纖當(dāng)中光線所帶有的信息進(jìn)行相關(guān)物理量的檢測(cè)，這就是光纖傳感技術(shù)的技術(shù)原理，如圖1所示。

圖1　光纖傳感技術(shù)原理

光纖傳感器能夠從光纖的信號(hào)調(diào)節(jié)方法、所檢測(cè)物質(zhì)和光纖的作用等不同的類別進(jìn)行分類。如果從光纖的作用類別進(jìn)行分類，光纖傳感器就可以分成功能傳感器與非功能傳感器兩種類別，其中功能傳感器不但可以實(shí)現(xiàn)光線的傳遞功能，還能夠針對(duì)所傳遞的信息進(jìn)行分析，而非功能傳感器就只能進(jìn)行光線的傳遞。當(dāng)下，在國(guó)際范圍，針對(duì)光纖傳感器的研發(fā)主要是從精確性和多功能的角度開展。

如果是由光線信號(hào)的調(diào)節(jié)方式的層面開展分類，光纖傳感器又可以分成相位調(diào)節(jié)類、光強(qiáng)調(diào)節(jié)類和偏振調(diào)節(jié)類。在此之中光強(qiáng)調(diào)節(jié)類在用于工程測(cè)量的過(guò)程中，因?yàn)樽陨頁(yè)碛休^為簡(jiǎn)易的構(gòu)造，同時(shí)還有較廣泛的使用空間，因此被工程測(cè)量行業(yè)廣泛使用。而面對(duì)有較高精度需求的測(cè)量行業(yè)當(dāng)中，就需要使用偏振調(diào)節(jié)或者相位調(diào)節(jié)，伴隨著科技水平的不斷提升，在工程檢測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，施工法對(duì)于精度有著越來(lái)越高的要求。所以，偏振調(diào)節(jié)與相位調(diào)節(jié)是從事光纖傳感器研發(fā)的主要研究方向，在針對(duì)梁橋的檢測(cè)作業(yè)中，一般是使用相位調(diào)節(jié)型光纖傳感器。

2）光纖傳感技術(shù)在進(jìn)行橋梁檢測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)。

（1）光纖傳感技術(shù)有較強(qiáng)的抗電磁能力，并且材料乃腐蝕能力強(qiáng)，安全系數(shù)高。

（2）光纖傳感器及相關(guān)設(shè)備同傳統(tǒng)儀器相比，質(zhì)量較輕，占地面積小，外形有極強(qiáng)可塑性。

（3）對(duì)于橋梁產(chǎn)生的損壞很小。

（4）擁有遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)方法的辨識(shí)率及靈敏度。

（5）可以和當(dāng)下存在的光纖通訊技術(shù)進(jìn)行組合，成為檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

2　光纖傳感技術(shù)在橋梁中檢測(cè)的使用

1）使用范圍。在橋梁檢測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，光纖傳感技術(shù)的具體使用范圍為以下三個(gè)部分，分別是既有橋梁構(gòu)造的工作性能的檢測(cè)、橋梁構(gòu)造的施工檢測(cè)、使用較長(zhǎng)時(shí)間的橋梁的結(jié)構(gòu)損壞檢測(cè)。

2）針對(duì)應(yīng)變光纖傳感的檢測(cè)方法。按照光纖傳感過(guò)程中的科學(xué)原理，把光纖應(yīng)變傳感器安裝在初始位置并進(jìn)行標(biāo)注之后，便可以開展對(duì)于應(yīng)變的測(cè)量工作。進(jìn)行標(biāo)注的作用是獲取光纖應(yīng)變檢測(cè)設(shè)備和傳統(tǒng)的電阻片式傳感器之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，按照實(shí)際狀況，使用靜態(tài)標(biāo)注的辦法。這里所說(shuō)到的傳感器的靜態(tài)特點(diǎn)，就是開展測(cè)量工作時(shí)，周邊的環(huán)境必須在靜態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)下開始標(biāo)注。就是在檢測(cè)過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)加速度、震動(dòng)和劇烈沖擊（上述參數(shù)為待測(cè)物理量的情況除外），且溫度需要控制在15～25攝氏度之間，空氣相對(duì)濕度需要小于85%，大氣壓在1.01MPa±0.07MPa的環(huán)境中開展檢測(cè)工作。

針對(duì)傳感器的靜態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，第一步是要針對(duì)靜態(tài)環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)條件進(jìn)行判定。再有就是選擇出和被標(biāo)注光纖傳感器之間精確性為同一等級(jí)的標(biāo)注用機(jī)械設(shè)備，之后方能開展針對(duì)傳感器的靜態(tài)特征標(biāo)注工作。

進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)注的具體環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2　傳感器標(biāo)注曲線

（1）把光纖傳感器的檢測(cè)信息范圍，分為多個(gè)間距相同的點(diǎn)。

（2）按照光纖傳感器檢測(cè)信息范圍的具體狀況，從零開始在每一個(gè)間距點(diǎn)當(dāng)中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量的輸入工作，并在輸入的過(guò)程中針對(duì)輸入量與輸出量開展記錄工作。

（3）把所輸入值從最大值到0逐漸降低，并且再一次針對(duì)輸入量和輸出量進(jìn)行記錄。

（4）重復(fù)步驟2和步驟3多次，并進(jìn)行對(duì)所得數(shù)據(jù)的處理。按照處理之后的最終數(shù)據(jù)結(jié)果就能夠?qū)饫w傳感器的靈敏性、線性度、滯后性與重復(fù)性等靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行判定。

依照筆者所闡述的測(cè)量步驟和測(cè)量方式，能夠得出光纖傳感器的標(biāo)注曲線為如圖2所示，由標(biāo)注曲線的斜率能夠得出電阻是應(yīng)變儀和光纖應(yīng)變檢測(cè)儀之間的相對(duì)應(yīng)的系數(shù)關(guān)系。在圖2中，實(shí)際測(cè)得的點(diǎn)按照曲線的方程式為y=0.3658x-1.8302（其中y表示為光纖傳感器經(jīng)過(guò)測(cè)量得到的應(yīng)變值，x表示為使用電阻應(yīng)變器測(cè)量得到的應(yīng)變值。

3）橋梁動(dòng)測(cè)過(guò)程中光纖傳感技術(shù)的使用。使用光纖傳感器進(jìn)行橋梁震動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，主要能夠得出橋梁振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)包括有振動(dòng)的頻率、振幅等。具體檢測(cè)方法是：把信號(hào)檢測(cè)光纖粘貼在橋梁的測(cè)量區(qū)域表面，或者埋入測(cè)量區(qū)域當(dāng)中，信號(hào)檢測(cè)光纖能夠隨著橋梁產(chǎn)生的震動(dòng)進(jìn)行光纖信號(hào)相響應(yīng)，并進(jìn)行光的相位輸出作為光的周期性變化，在此時(shí)相關(guān)光纖探測(cè)設(shè)備所收到的信息也是呈現(xiàn)周期變化的。把所得到的震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算之后，就能夠得出橋梁的震動(dòng)頻譜，由此得知橋梁的震動(dòng)周期。

3　結(jié)語(yǔ)

自20世紀(jì)70年代，光纖傳感技術(shù)問(wèn)世至今，在全球范圍了，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展，針對(duì)工程中的各種參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感器由此而誕生。在進(jìn)行光纖傳感技術(shù)使用的過(guò)程當(dāng)中，其設(shè)備往往體積很小，一般來(lái)說(shuō)一個(gè)光纖傳感器的長(zhǎng)度最短不足1cm，并且有著很高的準(zhǔn)確性和抗干擾性，因此值得大力推廣和使用。但是在中國(guó)范圍內(nèi)，筆者發(fā)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)盡管已經(jīng)問(wèn)世40多年，但是

仍舊沒(méi)有進(jìn)行大范圍的使用，這是值得反思的。讓許多更有優(yōu)勢(shì)性的技術(shù)在我國(guó)工程施工行業(yè)中引進(jìn)來(lái)，才是讓我國(guó)始終保持快速發(fā)展的核心理念。

［1］畢衛(wèi)紅，郎利影.光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2002，06：49-51.

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