一、引言
橋梁的建造和維護(hù)是一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要部分。因此，橋梁的安全可靠性成為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的一件大事。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)橋梁的安全檢測(cè)一直以電檢測(cè)方法為主，由于電磁干擾及濕潤(rùn)腐蝕使得這種方法不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期置放，檢測(cè)時(shí)需臨時(shí)置放大量的傳感器，這樣不僅需要大量的人力和物力，而且需要經(jīng)過(guò)專門練習(xí)的工程師，同時(shí)由于所測(cè)結(jié)果是瞬時(shí)的，不能正確、準(zhǔn)時(shí)的預(yù)告橋梁工作狀態(tài)，所以，所得結(jié)果仍然不能滿足現(xiàn)有的安全需要。
從70年代中期至今，光纖傳感技術(shù)經(jīng)過(guò)20多年時(shí)間的飛速發(fā)展已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。它的觸角已涉及到國(guó)防軍事、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、生物醫(yī)藥、計(jì)量測(cè)試和家用電器等各種領(lǐng)域[2～3]。光纖傳感器由于體積?。ㄖ睆絻H為125mm，作為光纖傳感器的長(zhǎng)度可短至幾厘米）、重量輕、不導(dǎo)電、反應(yīng)快、抗腐蝕、不受電磁、射頻及雷電流等干擾影響，以及集傳感與傳輸于一體的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，成為橋梁檢測(cè)中的有效方法，把光纖傳感器埋進(jìn)到橋梁中，丈量橋梁內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變以及結(jié)構(gòu)損傷，已成為橋梁檢測(cè)中的有效的檢測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)投進(jìn)了大量的人力物力研究光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用，并取得了一定的成果。
二、光纖檢測(cè)技術(shù)的原理
（1）橋梁檢測(cè)方法概述
傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法為電檢測(cè)方法，這是一種在橋梁的某個(gè)部位上外粘電阻應(yīng)變片來(lái)丈量應(yīng)變的方法。它所依據(jù)的原理是將應(yīng)變片組成橋式結(jié)構(gòu)來(lái)感應(yīng)被測(cè)體應(yīng)變的變化，并轉(zhuǎn)換成需要的電量，以利用應(yīng)變變化De與應(yīng)變片的電阻變化DR之間的關(guān)系DR=aDe（a為應(yīng)變率）進(jìn)行檢測(cè)。如我國(guó)使用較為廣泛的鞍山電測(cè)技術(shù)研究所研制的便攜式動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀DY-3和便攜式超級(jí)應(yīng)變儀YD-88都此種產(chǎn)品。這種丈量方法是以應(yīng)變-電量為基礎(chǔ)，以電信號(hào)為轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)妮d體，用導(dǎo)線傳輸電信號(hào)，因而使用時(shí)受到環(huán)境的限制，如環(huán)境濕度太大可能引起短路，特別是在高溫順易燃、易爆環(huán)境中輕易引起事故等。
（2）利用光纖進(jìn)行橋梁檢測(cè)的技術(shù)原理
光纖傳感技術(shù)是利用光纖對(duì)某些特定的物理量敏感的特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接可丈量的信號(hào)的技術(shù)。由于光纖不僅可以作為光波的傳播媒質(zhì)，而且光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特征參量（振福、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）因外界因素（如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等）的作用而間接或直接的發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來(lái)探測(cè)各種物理量。這就是光纖傳感器的基本原理。如圖1所示。
圖1 光纖傳感原理示意圖
光纖傳感器可從光纖的作用、信號(hào)調(diào)制方式及被測(cè)對(duì)象等不同角度分類。從光纖作用角度可分為非功能型傳感器和功能型傳感器[5～7]。非功能型傳感器中光纖僅起到傳光的作用；而功能型傳感器中光纖既起到傳光的作用又起到傳感的作用。目前開發(fā)的高精度、高分辨率及結(jié)構(gòu)小型化的傳感器多以功能型傳感器為主。
若從光信號(hào)調(diào)制方式角度分類，則有光夸大制型、相位調(diào)制型及偏振調(diào)制型。其中光夸大制型在一般工程丈量中因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、丈量范圍大而應(yīng)用較廣。而在對(duì)丈量精度要求較高的場(chǎng)所中則采用相位和偏振調(diào)制。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)傳感器的精度、穩(wěn)定性及小型化的要求越來(lái)越高。因此相位調(diào)制型及偏振調(diào)制型傳感器是目前研究和開發(fā)的主要對(duì)象。目前應(yīng)用橋梁檢測(cè)中的光纖傳感器主要是相位調(diào)制型。
（3）光纖橋梁檢測(cè)法的上風(fēng)
光纖傳感器是以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體利用光纖傳輸信號(hào)。與傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)傳感器相比，光纖傳感用具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
（1）抗電磁干擾、電盡緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全；
（2）重量輕、體積小、外形可變；
（3）對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響??；
（4）具有極高的靈敏度和分辨率；
（5）便于復(fù)用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通訊技術(shù)組成遠(yuǎn)測(cè)網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)；
（6）本錢低。
三、國(guó)外橋梁檢測(cè)中的光纖傳感技術(shù)的發(fā)展
1989年美國(guó)布朗大學(xué)（Brown University）的門德斯（Mendez）[8]等人首先提出了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和建筑檢測(cè)的可能性。之后，美國(guó)、加拿大、英國(guó)、德國(guó)、日本、瑞士等發(fā)達(dá)國(guó)家，紛紛將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在橋梁、大壩等大型民用基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)中，取得了令人鼓舞的進(jìn)展。
加拿大的Rotest公司研制的白光法布里—珀羅光纖傳感器就是其中一例，該公司將這種傳感器用于橋梁結(jié)構(gòu)中的的應(yīng)力、應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)損傷程度、裂縫的發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)的檢測(cè)，取得較好的測(cè)試結(jié)果。這種基于白光干涉的光纖傳感器，具有很高的精度和重復(fù)性?？砂惭b在材料或建筑物的表面，或埋進(jìn)其內(nèi)部，連續(xù)地對(duì)諸如應(yīng)變、應(yīng)力、位移、裂縫、孔隙壓力、溫度等狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Fabry-Perot傳感器是在光纖中制造一個(gè)真空腔（見圖2），當(dāng)光束通過(guò)傳感光纖進(jìn)射到腔內(nèi)時(shí)，會(huì)在真空腔的兩個(gè)端面分別反射、并沿原路返回。此真空腔稱為光纖琺珀腔（F-P腔），若進(jìn)射到F-P腔的光強(qiáng)為I0，進(jìn)射光束的中心波長(zhǎng)為I
0，F(xiàn)-P腔的腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，兩束反射光束相遇干涉后的輸出光強(qiáng)IR近似為
： 假如用光纖把F-P腔與光源及光電探測(cè)器連接起來(lái)就可構(gòu)成圖3所示的檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)把光纖傳感器安裝在被測(cè)體上時(shí)，被測(cè)體的內(nèi)部應(yīng)變使得光纖F-P腔傳感器的腔長(zhǎng)L同步變化，從而改變輸出光強(qiáng)IR。由（1）式可推得F-P腔的腔長(zhǎng)乃至被測(cè)體的變形量
圖2 用于應(yīng)變的Fabry-Perot光纖傳感器
圖3 傳感系統(tǒng)原理圖
除Rotest公司之外，世界各國(guó)還有多家企業(yè)及實(shí)驗(yàn)室從事這方面的研究。其中加拿大在1993年將光纖傳感器預(yù)裝到一座碳纖維預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋上，在橋開通后連續(xù)監(jiān)測(cè)了八個(gè)月，丈量了混凝土內(nèi)部的整體分布應(yīng)變，并用動(dòng)態(tài)規(guī)化理論處理數(shù)據(jù)，正確而又快速的評(píng)估了橋梁的使用狀態(tài)及壽命；而多倫多大學(xué)靈巧結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的Alavie等人用布喇格光纖光柵傳感器丈量了加拿大Beddington大橋的應(yīng)力。1996年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)研究中心研制了新墨西哥州I-10橋健康檢測(cè)系統(tǒng)，它由60個(gè)FBG（光纖布喇格光柵）傳感器組成，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)應(yīng)變丈量。1997年，美國(guó)的佛絲特-米勒公司也用FBG傳感器完成了俄亥俄州巴特勒縣高速公路橋健康檢測(cè)系統(tǒng)。美國(guó)的維蒙特大學(xué)與美國(guó)電光子公司合作研制了用于檢測(cè)橋梁、公路腐蝕的光纖腐蝕傳感技術(shù)，并在1997年的夏季首次應(yīng)用在維蒙特市北部的三座橋上，取得了較好的丈量效果。
瑞士的聯(lián)邦技術(shù)研究所與瑞士智能結(jié)構(gòu)公司基于準(zhǔn)相干光干涉原理開發(fā)出了光纖應(yīng)變/變形傳感器，傳感頭可方便的埋進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部或固定于任意結(jié)構(gòu)的外部。為了和傳統(tǒng)的電檢測(cè)技術(shù)比較，智能結(jié)構(gòu)公司于1995年在日內(nèi)瓦四周的一座高速公路橋上同時(shí)安裝了光纖傳感器和傳統(tǒng)的應(yīng)變片、熱電偶應(yīng)變傳感器。但只有光纖傳感器完成了從施工、竣工檢驗(yàn)、通車使用整個(gè)過(guò)程中的混凝土固化的熱收縮應(yīng)變、負(fù)荷試驗(yàn)、長(zhǎng)期應(yīng)用考驗(yàn)。
四、國(guó)內(nèi)橋梁檢測(cè)中的光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁的檢測(cè)都是在設(shè)計(jì)、施工安裝完畢交付使用以后，才對(duì)橋梁進(jìn)行定點(diǎn)的檢測(cè)的，采用的方法是電檢測(cè)方法，即如前文所述，在梁體某個(gè)部位上，外粘應(yīng)變片。這種方法的局限性較大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；而且所檢測(cè)的數(shù)據(jù)都是某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)；同時(shí)由于施工質(zhì)量、安裝等因素的影響，與原始設(shè)計(jì)參數(shù)有著一定的誤差。
從90年代開始，我國(guó)就開始了光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究。清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等院校已對(duì)光纖傳感器應(yīng)用于橋梁檢測(cè)進(jìn)行了理論研究，并在實(shí)驗(yàn)室中做了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果。
圖4 用光纖實(shí)現(xiàn)的白光麥克爾遜干涉儀
哈爾濱工程大學(xué)的苑立波教授依據(jù)白光干涉原理設(shè)計(jì)了光纖傳感器，與Retest公司不同的是他設(shè)計(jì)的是如圖4所示的光纖Michelson結(jié)構(gòu)的白光干涉儀，通過(guò)比較光程差的方法來(lái)間接地丈量傳感器長(zhǎng)度隨橋索應(yīng)力、應(yīng)變的變化特性。
圖5 雙F-P結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)掃描干涉儀
清華大學(xué)電子工程系的廖延彪教授建立了一種新的波長(zhǎng)干涉儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖5所示。系統(tǒng)中采用了波長(zhǎng)掃描光源,并用了兩個(gè)準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)的法布里-珀羅干涉儀，一個(gè)作為參考干涉儀，另一個(gè)作為傳感干涉儀。從而實(shí)現(xiàn)了較大范圍的盡對(duì)間隔丈量，并放寬了對(duì)于光源穩(wěn)定性、掃描重復(fù)性的要求，使系統(tǒng)在間隔的長(zhǎng)期監(jiān)控丈量方面較現(xiàn)有的其它丈量方法具有更大的上風(fēng)。
五、結(jié)束語(yǔ)
把光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到橋梁檢測(cè)中給橋梁健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)價(jià)注進(jìn)了新的活力，國(guó)外經(jīng)過(guò)近十幾年的研究，已形成了比較成熟的技術(shù)，其相關(guān)產(chǎn)品由于精度高和實(shí)用性強(qiáng)而得到用戶的青睞，但其高昂的價(jià)格阻礙了它在中國(guó)的應(yīng)用。因此，在今后的研究中，我們需要從原理、制作工藝等方面著手研制高性能、低價(jià)格的傳感器以滿足國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求。
