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光纖光柵傳感器及其在土木工程中的發(fā)展應(yīng)用
摘要：介紹了光纖光柵的傳感技術(shù)及其封裝方式，特別是采用FRP筋嵌入式封裝光纖光柵傳感器(OFBG)制成的FRP—OFBG筋，并對(duì)光纖光柵傳感器在土木工程監(jiān)測(cè)中的發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行綜述，以期促進(jìn)該技術(shù)的推廣普及。
關(guān)鍵詞：光纖光柵，嵌入式封裝，土木工程監(jiān)測(cè)
0、引言
新發(fā)展起來的光纖光柵傳感技術(shù)可通過反射中心波長(zhǎng)的變化測(cè)量由外界引起的溫度、應(yīng)力應(yīng)變變化，具有線性程度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變高精度地進(jìn)行絕對(duì)、準(zhǔn)分布式數(shù)字測(cè)量，比較適合結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。光纖光柵傳感器除了有光纖傳感器具有的質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、可分布或者準(zhǔn)分布式測(cè)量、使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) J：如測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，可在同一根光纖上制作多個(gè)光柵實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，測(cè)量范圍大，穩(wěn)定性、重復(fù)性好，非傳導(dǎo)性材料，耐腐蝕、抗電磁干擾等特點(diǎn)，適合運(yùn)用于惡劣環(huán)境中，避免了干涉型光纖傳感器相位測(cè)量模糊不清等問題。
光纖光柵傳感器由于自身的優(yōu)點(diǎn)在土木工程界得到很大的應(yīng)用和發(fā)展。本文先介紹光纖光柵傳感技術(shù)及其封裝方式，并主要闡述光纖光柵傳感器在土木工程領(lǐng)域的一些發(fā)展應(yīng)用情況。
1、光纖光柵的傳感技術(shù)特點(diǎn)及其封裝
1.1 光纖光柵的傳感技術(shù)特點(diǎn)光纖光柵就是一段光纖，其纖芯中具有折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)。光纖光柵傳感器的基本原理為：光纖光柵可將入射光中某一特定波長(zhǎng)的光部分或全部反射。
1.2 光纖光柵的封裝
1)基片式封裝。將光纖光柵裝在刻有小槽的基片上，通過基片將被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳到光柵上，封裝結(jié)構(gòu)主要由金屬薄片(或樹脂薄片)、膠粘劑、護(hù)套、尾纖、傳輸光纜組成�；椒庋b包括金屬基片封裝和樹脂基片封裝，金屬基片有鋼片、鈦合金片等。
這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，但容易產(chǎn)生應(yīng)變傳遞損耗，使得測(cè)量精度有所降低。
2)金屬管式封裝。管式封裝應(yīng)變傳感器主要由封裝管、光纖光柵、傳輸光纜、尾纖、膠粘劑組成。該封裝工藝具有加工方便、產(chǎn)品率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足工業(yè)化大批量生產(chǎn)需要。
3)夾持式封裝。主要思想是在鋼管封裝的光纖光柵傳感器的兩端安裝夾持構(gòu)件，待測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變通過夾持構(gòu)件傳遞給光纖光柵，其標(biāo)距長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際需要改變。此種傳感器具有布設(shè)簡(jiǎn)單、可拆換、耐久性好、布線方便等優(yōu)點(diǎn)，可作為橋梁、建筑等土木工程結(jié)構(gòu)施工、竣工試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)的表面?zhèn)鞲衅鳌?/p>
4)嵌人式封裝。這里特別介紹FRP-OFBG智能復(fù)合筋。FRP筋是采用連續(xù)纖維通過拉擠工藝和合成樹脂基按照一定的比例膠合而成的一種纖維增強(qiáng)塑料筋，在其制備過程中放人光纖光柵，便可得到FRP-OFBG智能復(fù)合筋。該復(fù)合筋目前研究得比較多，它保留了FRP良好的力學(xué)等性能，又具備光纖光柵的傳感特性，而且大大提高了光纖光柵的應(yīng)變測(cè)量量程，是光柵傳感器較好的一種封裝方式。
2、光纖光柵傳感技術(shù)在土木工程中的發(fā)展應(yīng)用
2.1 國(guó)外發(fā)展應(yīng)用14,51993年，在加拿大卡爾加里附近的geddington Trail大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量的橋梁之一，18個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和碳纖維復(fù)合材料筋上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
1999年夏，在美國(guó)新墨西哥Las Cruces 10號(hào)州際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了120個(gè)光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)在一座橋梁上使用光纖光柵傳感器最多的紀(jì)錄。
2000年，加拿大在Confederation大橋——世界上跨在被冰覆蓋的海洋上的最長(zhǎng)橋中安裝了一系列光纖布拉格光柵傳感器對(duì)橋梁進(jìn)行了健康監(jiān)測(cè)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)冰壓力對(duì)橋梁墩柱的作用、溫度影響、交通荷載以及風(fēng)載下的振動(dòng)情況。
在地下工程、采礦業(yè)等方面也開發(fā)許多針對(duì)性強(qiáng)的光纖光柵傳感器_6J。德國(guó)的GFZ Potsdam開發(fā)了一種地下巖石挖掘過程中測(cè)量應(yīng)變的光纖光柵傳感器——FBX地腳螺栓。這種新型的傳感器是在一根玻璃纖維增強(qiáng)聚合物巖石地腳螺栓中埋人光纖光柵，用于探測(cè)巖石構(gòu)成和巖石工程結(jié)構(gòu)中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變。
2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展應(yīng)用與國(guó)外光纖光柵技術(shù)的快速發(fā)展相比，我國(guó)在這方面的研究工作開展得比較晚。南開大學(xué)的董孝義課題組是國(guó)內(nèi)最早研究光纖光柵的部門之一，在光纖光柵傳感領(lǐng)域有著深厚的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
在我國(guó)，光纖光柵傳感器在橋梁等健康監(jiān)測(cè)方面也有了一定的應(yīng)用，相當(dāng)一部分院校和科研單位，如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)以及上海紫柵公司等，開展了一系列研究和工程應(yīng)用[6，7l。
武漢理工大學(xué)光纖傳感國(guó)家工業(yè)試驗(yàn)基地發(fā)展了多種形式的橋梁用光纖Bragg光柵傳感器和光纖Bragg光柵解調(diào)器以及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并構(gòu)建了一套完整的光纖光柵傳感器的埋設(shè)工藝，都取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)歐進(jìn)萍院士及其課題組在國(guó)家863項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等較多重大項(xiàng)目的支持下，從2001年開始，采用光纖光柵傳感器進(jìn)行了山東東營(yíng)黃河公路大橋、黑龍江呼蘭河大橋等10余項(xiàng)橋梁工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)【10]。
在地下工程等方面也有一些應(yīng)用。石家莊鐵道學(xué)院的研究人員Ill J將光纖光柵溫度傳感器用于青藏鐵路多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定性的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了光纖光柵傳感器的測(cè)試精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。2006年8月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳風(fēng)晨等人在北京某已建高速公路上實(shí)地埋設(shè)了光纖光柵應(yīng)變傳感器，對(duì)瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場(chǎng)測(cè)試。北京地鐵國(guó)貿(mào)站項(xiàng)目[13 J將光纖光柵傳感器、光纖光柵一纖維復(fù)合筋(FI .0lFBG)應(yīng)用到地鐵車站的健康監(jiān)測(cè)中，為地鐵車站結(jié)構(gòu)的理論研究和設(shè)計(jì)方法的完善打下牢固的基礎(chǔ)。
目前土木工程監(jiān)測(cè)研究最多的項(xiàng)目之一是索力的監(jiān)測(cè)。就目前FRP-OFBG傳感筋在索力監(jiān)測(cè)運(yùn)用狀況[17,183看，鋼絞線錨索采用FRP一0 jG筋傳感器進(jìn)行受力監(jiān)測(cè)的方式大體有兩種：一種是直接增加FRP-OFBG筋法，在索體中，利用錨具內(nèi)的環(huán)氧砂漿固定FRP-CIFBG筋的兩端，或是使用夾具等將傳感筋的兩端與鋼絞線綁在一起，使FRP-OFBG筋和鋼絞線變形一致，組成自監(jiān)測(cè)智能鋼拉索;另一種是直接增加FRP-OFBG智能鋼絞線法，用FRP-OFBG筋替換普通鋼絞線的中絲得到智能鋼絞線，在索體中部分采用智能鋼絞線便可實(shí)現(xiàn)錨索的自監(jiān)測(cè)。
3、結(jié)語
光纖光柵傳感器由于尺寸小、線性度優(yōu)異、重復(fù)性好、非磁性、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在土木工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域備受青睞。
目前研究最多的是采用FRP筋嵌入封裝光纖光柵制成的FRPOFBG智能復(fù)合筋，極大的提高了裸光柵的應(yīng)變測(cè)量量程，它是一種較優(yōu)異的傳感器。工程中可通過采用直接增加FRP—OFBG筋法或直接增加FRP-OFBG智能鋼絞線法對(duì)索力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
但目前對(duì)基于FRP.OFBG筋的監(jiān)測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究還比較少，技術(shù)尚不夠成熟和完善，相關(guān)的工程應(yīng)用也很少，其研究應(yīng)用工作有待進(jìn)一步拓展和深入。
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