光纤传感技术在桥梁检测中的运用

2016-03-13张杰

公路与汽运 2016年2期

关键词：桥梁检测

张杰

(湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)

光纤传感技术在桥梁检测中的运用

张杰

(湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)

摘要:在基础设施的维护中,桥梁因其独特的建筑作用而备受关注。与传统电检测技术相比,光纤传感器可提高桥梁动测中的数据精度。文中结合光纤传感技术的原理、工具和技术特点,对光纤传感技术在桥梁检测中的应用进行了阐述。

关键词:桥梁;光纤传感技术;检测

距离长、跨区域广、造价高是当前城市桥梁建设的特点,检测和维护是保证桥梁正常使用的关键。传统的桥梁检测以电检测技术为主,受困于电磁干扰、潮气侵蚀等,传感器无法长期固定在桥梁上,造成极大的资源浪费,也增加了检测的时间成本。近年来,光纤传感技术由于使用光纤作为传输媒介,有效解决了上述问题,在桥梁检测、隧道检测等方面得到有效运用。

1 光纤传感技术原理

1.1 光纤传感器

光纤传感器分为三部分,即光源、光纤与探测器。光源负责向光纤发射光,经过光纤传输到调制区域。在这个区域,光开始与被检测的桥梁部位相互作用,使得光源的强度、相位、频率、偏振态、波长等参数产生相应变化,把普通光转变成特殊信号,经过探测器接收与分析形成数字汇报。光纤是传感器的主要传输材料,具有规划和引导光源传输路径的作用,还能在一定程度上承担测量任务,效率远高于其他材料。光纤的纤芯被包层、树脂、塑料层层覆盖,形成有效的绝缘体和保护层。以材料标准分类,传感器使用的光纤可分为玻璃光纤和塑料光纤两类;以折射率标准分类,可分为阶跃折射率光纤、梯度折射率光纤两种。

光纤传感器一般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,不同点在于其检测范围和精度不同。相对于前两种传感器,分布式传感器最常见,其主要原理是通过散射返回的能量反映光纤分布的变化参数,集合了时域反射、干光频域反射及非相干光频域反射等技术,可在不进行爆破、破坏的情况下迅速掌握桥梁的各种参数、变动和具体位置。

1.2 光纤传感技术与传统技术的差别

传统的桥梁检测采用电检测技术,主要原理是在桥梁的部分关键位置安装电阻应变片进行感应测试,利用电阻应变片与电阻变化之间的规律进行测量,帮助探测器进行数据分析和结果统计。它以应变-电量为依据,将电信号作为传输的媒介,通过导线进行传输信号。这种方式存在许多不足之处:易受当地环境的影响,如当空气湿度较大时,会使电阻增大,造成短路等;容易造成各种事故,如由于高温、电路老化等问题造成火灾、爆炸等事故。

光纤传感器的主要传输媒介是光信号,传输工具是光纤。相比于传统传感器,光纤传感器在材质、后患、灵敏度上都有较大进步。光纤由绝缘媒介石英玻璃制成,不仅能有效绝缘,还可耐高温和腐蚀,面对复杂的外界环境进行检测;此外,光纤传感器不会对桥梁产生任何结构性伤害,由于其体积小、重量轻,可对许多复杂的桥梁进行实地检测,做成形状符合检测要求的传感阵。同时,在抗干扰能力上,光纤传感器在传输介质上也占据很大优势,影响范围大,灵敏度和分辨率高。

1.3 光纤传感器的技术特点

光纤传感器在桥梁工程检测中得到了广泛应用,研究和工程应用表明其具有如下特点:

(1)操作性好,防干扰性强。光纤传感器进行桥梁检测不易受其他因素的干扰,且光信号在传输中不会与电磁波发生对冲,也不受外界噪声的影响。

(2)光纤具有很好的柔韧性,光纤传感器可根据现场检测需要做成不同的形状。

(3)光纤传感器的测量频带宽,且动态响应范围大。

2 光纤传感技术在桥梁检测中的应用

2.1 检测桥梁振动

利用光纤传感技术检测桥梁振动,可得到桥梁工程整体或部分的振动参数,如频率、振幅等。检测措施为:将信号光纤附着在桥梁表层或埋入桥梁内部,光纤可随着桥梁的振动而发生振动响应,终端所输出光的某些具体参数的周期发生相应变化,光电探测器接收到的光强也作同样的周期性变化,处理系统将所接收的振动信号进行FFT(Fast Fourier Transform)分析后,即可得到桥梁最终的振动频率及周期。

2.2 检测桥梁结构应力、应变情况

桥梁的内应力是工程能否正常使用的主要评价参数之一,在桥梁结构的内应力监测上必须做到细致入微。当前,桥梁内应力检测使用的常见器材为F-P光纤传感器及光纤布拉格光栅传感器。前者可用于桥梁局部工程的应力检测,后者则用在桥梁工程的分布应力监测上。山东省济南黄河公路大桥是黄河中下游跨度最大的桥梁,日均车流量近4万辆次。使用F-P光纤传感器对其进行静、动态测试,结果显示,光纤传感器的分辨率可达到0.13με,完全满足桥梁静态、动态检测要求,可很清楚地显示各种车辆在以同一速度通过桥梁时桥梁内部结构应力变化。

2.3 砼结构检测

砼是桥梁的筋骨,在经过长时间的侵蚀、使用后会产生裂缝等。根据裂开的程度,砼裂缝可分为贯穿缝和深缝(0.2～0.3 mm)两类。贯穿缝的出现直接破坏桥梁的整体安全性,极大降低了桥梁的承载能力。裂缝是产生桥梁坍塌事故的主要隐患,按损伤物理学的研究,工程破坏是结构损伤积累到一定程度的表现形式,也就是说裂缝是桥梁内部损伤达到危险程度时释放的一种信号,对这种信号的检测可加强桥梁的安全预警。

光纤传感技术在砼检测上具有传统电检测技术无法比拟的优势:它可在桥梁的整体控制上实现分布式检测,克服了电检测在控制上的空间不连续问题,且不会出现漏检、漏报险情的现象。光纤传感技术架设方便、简易,不会对埋设部位砼造成伤害,也不会影响砼的性能和力学参数。在检测过程中,其传输稳定性可最大程度地输出真实的数值,并且能和光纤传输系统集成合作,一同组合成遥测自动化系统。

2.4 其他检测

当今的桥梁检测项目繁多,除上述检测项目外,光纤传感技术还可应用在桥梁的受力结构附件的检测上,如悬索桥主缆、吊杆、系杆、拱桥系杆等的检测;也可检测土木工程结构的预应力锚固构件,如锚索、锚杆等。上述构件的检测值、大小及分布变化可准确反映桥梁的使用性能。

3 结语

光纤传感器成本低,适用于长距离、大型桥梁工程的检测和预警,也可应用于其他大型工程检测。随着光纤检测技术的不断发展,桥梁健康监测也更加容易,为桥梁长期、实时的安全检测奠定了技术基础。同时,光纤传感技术有助于推动桥梁结构研究的深入,使桥梁设计更合理、更完善。光纤传感技术具有众多优点,具有广阔的应用前景。

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