第３６卷第】Ｊ期２００３午１ｔ月
十术工程学报
ＣＨＩＮＡＣⅣｌＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ，ＩＯＵＲＮＡＬ
ＢＯＴＤＲ分布式光纤传感器及其在结构
健康监测中的应用
Ｖｏｌ３６Ｎ０１１
ＮＯＶ２００３
张丹１施斌２吴智深０２徐洪钟１丁勇１崔何亮１
（Ｉ南京大学地球环境训算工程研究所２ＬＩ本茨城大学Ｉ学部１
摘要分布式光纤传感器与传统的Ｔ｝感器丰Ｈ比具有很人的优越性，已经成为传感器领域的研究热点。』￡中，基于布平渊敞射原埋的布里渊光时域反射计（ＢＯＴＤＲ）是一个莺要的发展方向。本文在介绍了ＢＯＴＤＲ的测量原理的基础上．
设汁了一个钢筋的ｊ点弯试验，由ＢＯＴＤＲ柃测钢筋豹卜、下表向的应变分布，通过与自限元汁尊结果的列比，说叫了ＢＯＴＤＲ可以比较真实地得到结构物的应变分布，将ＢＯＴＤＲ用于结构变形的健康监测是完全可行的。
关键词ＢＯＴＤＲ分布式光纤传感器应变监测－点弯试验健康临测
中圄分类号：ＴＵ３１７文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—１３ＩＸ（２００３）１１—００８３—０５
ＤＩＳＴＲＩｌ３ＵＴＥＤＯＰＴＩＣＡＬＦＩＢＥＲＳＥＮＳＯＲＢＡＳＥＤｏＮＢＯＴＤＲＡＮＤＩＴＳＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ
ＴＯＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬＨＥＡＬＴＨＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ
ＺｈａｎｇＤａｎｌｓｍＢｉｎ２ＷｕＺｈｉｓｈｅｎｌ｜２ＸｕＨｏｎｇｚｈｏｎｇ｜ＤｉｎｇＹｏｎｇＩＣｕｉＨｅｌｉａｎｇｌ
（ＩＡＣＥＩ．ＮａｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ２ｌｂａｒａｌｋｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＡｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔＬｌｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉＳｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．ＩｔｉＳｂａｓｅｄｏｎＢｒｉｌｌｏｕｉｎｏｐｔｉｃａｌｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ（ＢＯＴＤＲ）．ＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＢＯＴＤＲ，ａｌｈｒｅｅ＿ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇｔｅｓｔｏｎａｓｔｅｅＩｂａｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＩｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｆｉｒｅａｇｒｅｅｄｗｉｔｈｔｈａｔｏｆｔｈｅＦＥＭ．ＩｔｉＳｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｒａｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓＯｉｌｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｂａｒｈａｖｅａｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｌｌａｔｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄ．ＩｔｉＳｏｂ订ＯｔＩＳ血ａｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢＯＴＤＲｔｏｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢＯＴＤＲｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｐｆｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒ，ｓｔｒａｉｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｈｒｅｅ－ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇ，ｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
１引言
随着我国人型基础工程设施的不断兴建，对在建工程的施工质量髓测和对已建工程的健康诊断的技术要求越来越商。结构健康监测中的一个关键问题就是如何对结构体系中已经出现的损伤进行有效的识别、定位和标定。｝ｊ前，针对结构健康监测以及诊断方面的研究主要是基于结构的动力学特征。国内外的学者在这方面开展了深入的研究，提出了一些结构健康诊断方法并建立了相应的结构健康诊断的公式。但是，
收稿口划：２００３－０５
旧宗杰出科学青年基金豫Ｉｉ（４０２２５００６１
国家救肯部ｆ｝学技术姘究重点项目（０１０８６
由京大学“９８５”Ｊ槲资助顺Ｆｉ通常要考虑结构的真实的物理约束并借鉴专业知识和经验才能从根本上解决结构的健康诊断问题¨Ｊ【“。
布里渊光时域反射计（ＢｆｉｌｌｏｕｉｎＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅ—ＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ，简称ＢｏＴＤＲ）的测量技术是国际上近年来才研发出来的项用于光通讯和各类构筑物应变监测的尖端技术。与传统的监测技术相比，该技术具有分布式、长距离、耐腐蚀、抗于扰等诸多优点，因此一些发达国家如同本、加拿大等都在竞相开展这一技术的理论和应用研究”Ｊ＿…，日前同外已有成功的应用实例ｐＪ【…，但国内将ＢＯＴＤＲ技术用于土木工程、水利工程蚍及一些大型的基础设施的变形ｊ｜｛ｆ测和健康诊断方面的研究才刚刚起步。由于技术设备等方而的原因，我国在这方面的研究主要是坶沦研究，在该技术的应用研究方面还未系统开媵ｆ７Ｉ…。
南京大学地球环境计算工程研究所近期从Ｈ本引进了这尖端监测技术，并组建了相席的实验章，开
．８４．
土木工程学报
展了一系列的室内和实际工程的应用研究，取得了一
批重要成果。本文是其中的一部分，蕈点介绍ＢＯＴＤＲ
的基本原理，同时给出应用该技术测量钢筋应变的实
验成果，指出了该技术在结构健康监测领域具有潜在
的应用前景。
２分布式光纤传感器的优越性
光纤传感器白２０世纪７０年代问世以来，得到了
广泛的关注，特别是近几年，光纤传感器的工程应用
研究发展迅速。与传统的差动电阻式和钢弦式传感器
相比，光纤传感器具有如下优点…：
１．光纤传感器采用光信号作为载体，光纤的纤芯
材料为一氧化硅，该传感器具有抗电磁干扰，防雷击，
防水＋防潮，耐高温，抗腐蚀等特点，适用于水下、
潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金
属传感器相比具有更强的耐久性：
２．现代的大型或超大型结构通常为数公里、数十
公里甚至上百公里，要通过传统的监测技术实现全方
位的监测是相当困难的，而且成本较高。但是通过布
设具有分布式特点的光纤传感器，光纤即作为传感体
又作为传输介质，可以比较容易实现长距离、分布式
监测；
３．光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积较小、
重最较轻，便于布设安装；此外，将其埋入结构物中
不存在匹配的问题，对埋设部位的材料性能和力学参
数影响较小。
分布式光纤传感器除了具有以上的特点外，其最
显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的
应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路。如
果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模
的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统
点式监测漏检的弊端，提高监测的成功率。分布式光
纤传感器应铺设在结构易出现损伤或者结构的应变变
化对外部的环境因素较敏感的部位以获得良好的健康
监测结果。
ＢＯＴＤＲ是一种基于布里渊散射的分布式光纤应
变监钡８技术。应用该技术可以测量光纤沿线的应变分
布，如果将光纤埋设在结构物内部或者粘贴在结构物
的表面，就可以得到结构物相应位置的应变分布信息。
由于ＢＯＴＤＲ可以得刊结构物的静态应变，该物理量
卅以满足对结构损伤进行直接定位的４个基本条件，
将其作为损伤标识量ｎｒ以直接识别和定位结构的损２００３午
伤，而小需要进行复杂的数学反演…。因此．相对于基于动力学特征的结构健康艏测手段而言，应用ＢＯＴＤＲ技术可以比较容易地解决损伤的识别、定位和标定等问题。通常，只要对ＢＯＴＤＲ所得到的两次不同时间的应变分布进行差值处理就可以实现结构损伤的识别、定位和标定。对于无损伤结构，应变分布的差值为常量或者等于０；而对于损伤结构，莘值应变曲线将出现异常峰值。
３ＢＯＴＤＲ光纤应变的测量原理
３．１ＢＯＴＤＲ的测量原理【１０１
布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，凶此通过
测量光纤中的背向布里渊散射光的频率漂移量（％）就
可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。ＢＯＴＤＲ的应变测量原理如图１所示。
图ｌＢＯＴＤＲ的应变测量原理图
Ｆｉｇ．１ＳｔｒａｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＢＯＴＤＲ如上所述，为了得到光纤沿线的应变分布，ＢＯＴＤＲ需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱，也就
是要得到光纤沿线的ｖ。分布。ＢＯＴＤＲ的测量原理与
ＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅ．ＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）技术相似，脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射．入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入ＢＯＴＤＲ的受光部和信号处理单兀，经过系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里
渊背散光的功率分布，如图１中（Ｂ）所示。发牛散
第３６卷第¨期张丹等?ＢｏＤＴＲ分布式光纤传感器苁其在结构健康嗡测中的应用?８５?射的位置至脉冲光的入射端，刚至ＢＯＴＤＲ的距离ｚ
町以通过式ｆ１）计算得到。之后按照Ｅ述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤ｒ每个采样点的布阜渊散射光的频浒图，如图１中（ｃ）所示，理论卜布里渊背散光谱为洛仑兹形，其峰值功
率所对应的频率即足布里渊频移ｖ。。如果光纤受到轴
向拉伸，拉伸段光纤的靠里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。
ｚ：坐（１）
２Ｈ
其中，ｃ为真空中的光速；月为光纤的折射率：ｒ为发出的脉冲、匕与接收到的散射光之间的时间间隔。３．２光纤应变的计算
图２足布里渊频移与光纤应变之间的线性关系，图３是布里渊频移与温度之间的线性关系。线性关系的斜率取决丁探测光的波长和所采用的光纤的类型，试验前需要对其进行标定ｔ即要确定式（２）中的ｖＡＯ）和比例系数些盟。
ｄ占
光纤的应变量与布里渊频移可用下式表示：
％（￡）：ｖＢ（Ｏ）＋—ｄｖ＿＿Ｂ（６）ｓ（２）其中，Ｖ。（ｇ）足应变为ｓ时的布里渊频率的漂移量；ｖＢ（０１是应变为０时的布里渊频率的漂移量
Ｓ
磊
鬟
掣
应变（％）
圈２布里渊频移与应变的线性关系
Ｆｉｇ２ＳｌｒａｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆＢｒｉｌｌｏｕｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉｆｔｃｈａｎｇｅ
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６０＿４０—２００２０４０６０８０
温度（℃）
图３布里渊频移与濡度的线性关系
Ｆｉｇ３ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆＢｒｉｌｌｏｕｉｎ
ｆｔｅｑｕｅｒｔｃｙｓｈｉｆｔｃｈａｎｇｅ
旦弩盟为比例系数，约为４９３ＭＨｚ（／％ｓｔｒａｉｎ）；ｓ０占
为光纤的应变量。
从图２和图３我们可以发现温度对布里渊频移的影响要远远小于变形的影响，如果温度变化不超过５℃，温度的影响可以忽略不计。当温度变化较人，可以通过式（３）进行温度补偿‘“１。
吲沪警（ｒ—ｔｏ）巩（０）＋掣舢）
其中，尘丛旦为温度影响系数，约为１ＭＨ：／Ｋ；Ｔ－五ｄ７’。为温度变化；其它与式（２）相同。
４应用ＢＯＴＤＲ检测钢筋的弯曲变形
钢筋混凝土结构已经广泛地用于十木工程、水刹工程以及各类大中小型的基础设施，ｎｊ丁混凝上中的钢筋可以替代混凝土承受拉力，从而使钢筋混凝土结构的承载力远远超过素混凝土结构的承载力。因此，了解钢筋的变形规律和分布特征对于结构物的健康腩测而言是非常重要的。
本次试验将光纤按全面粘贴的方式铺设在直径为２５ｍｍ、长度为２ｍ的钢筋上表面和下表面，粘贴长度均为１．８ｍ，钢筋两端简支，在中点处分级施加荷载，待钢筋变形基本稳定后测量钢筋轴向的应变分ｍ－，测量的结果如图４所示。同时，在钢筋一ｒ安装了再分表以监测钢筋受荷后竖直方向的位移，即挠度。图４中的符号线表示由分布式光纤应变传感器溯量借到的应变，黑色实线则是采用有限元计算得到的钢筋上、
＿ｗ
日％～
∞”ｊ～。
摇如‰
。。
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型瑶帽掣壬
土木工程学报
由丁１ｍ分解度的存在导致了钢筋中部的推算挠度略
小ｒ实测挠度。
Ｖ（，）＝Ⅱ（生皿妙（４）
其中，ｖ㈨为挠度，Ｙ是粘贴的光纤与钢筋中性面之
间的距离，ｓ。是光纤的应变。
应变段光纤的位置坐标（ｍ１
Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｍｅ图ａｓｕ４ｒｅ实ｄｓ测ｔｒａ的ｉｎ应ｄｉ变ｓｔｒ分ｉｂｕ布ｔｉｏ与ｎ数ｂｙ值Ｂ解ＯＴＤＲａｎｄｔｈｅ
５结束语
Ｆｉｇ．
…。。一
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ８ｎａｉⅡｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｂｙＦＥＭ
至钢筋中点的距离（ｍ）
图５实测挠度与推算挠度
Ｆｉｇ．５Ｔｈｅａｃｔｕａｌｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
ｗｉｔｈｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｓｔｒｄｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
下表面的轴向应变。通过对比可以发现，除了钢筋中部，即加衙点，钢筋下表面的光纤所测得的应变与数值解还是比较一致的。ＢＯＴＤＲ的空间分辨率最小只能达到ｌｍ，电就是说，任何一个采样点所得到的应变是光纤｝：ｌｍ范围内变形的综合反映，因此造成了钢筋中部的麻变相对较小。钢筋上表面的光纤的应变分布规律与Ｆ表面的光纤基本相同，但表现为压应变，这与钢筋的实际的变形状态是一致的。另外，为了在加荷的过程ｒｆ】不破坏光纤，光纤的粘贴位置稍稍偏离钢筋的轴线，使得钢筋上表面的光纤应变几乎整体小于数值解。
可见，ＢＯＴＤＲ的测量应变与结构的真实应变基本‘致，ｊｆ：且能够对结构中的应变异常进行有效的识别、定位和标定，以此作为结构健康监测的损伤识别量足完全町行的。而对结构物的健康监测通常也只要将两次不同荷载作用下的应变分布进行简单的差值运算就可以发现变形异常点或者损伤点。
此外，将钢筋下表面的光纤应变按式（４）进行积分运算，可以得到钢筋中性而的挠度，如图５所示。通过与变测挠度进行对比我们可以发现，推算挠度和实测挠度具有很好的一致性，同时，我们也注意到，
综上所述，作为一种新型的分布式光纤应变传感器，ＢＯＴＤＲ具有很多传统传感器所无法比拟的优势，它可以得到光纤ｒ任意点的轴向应变，如果将光纤坪设在结构物内部或者粘贴在结构物的表面，就可以得到结构物相应位置的应变分布。钢筋的三点弯试验说明了ＢＯＴＤＲ可以比较准确地测量钢筋变形后的应变，将其作为损伤标识量可以很容易地实现对结构损伤的识别和定位，进而可以对结构的健康状况进行定量评估。因此，将ＢＯＴＤＲ用于土木工程、水利工程蚍及其它的各种类型的基础设施的健康监测是可行的。
ＢＯＴＤＲ技术在结构健康临测领域具有广阔的应用前景，这方面的研究才刚刚起步，今后建议在吼下三个方面作进一步的研究：
（１）提高测最系统的空间分辨率。ＢＯＴＤＲ的空间分辨率目前可以达到ｌｍ，但是对于土木工程结构而言是不够的，通过采用特殊的光纤铺设方法或者对布里渊频谱进行再分析，可以得到较高空间分辨率和应变测量精度【１…。
（２）分布式光纤传感器的优化布置。由于ＢＯＴＤＲ技术具有分布式和与结构相容性较好的特点，传感器的布设要比点式传感器容易得多，但对于结构的高变形区以及易损部位的监测，就需要考虑结构的受力特点合理布设光纤，甚至可以引入数值模拟和相关的测点选择优化算法。
（３）结台结构物的特征、受荷特点以及环境因素合理地解析ＢＯＴＤＲ的应变监测数据，在此基础上实现结构损伤的识别、定位和标定并对结构的健康状况提出合理的评估。
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张丹博士研究生，从事分布式光纤佶感器的应用研究。通讯地址：２１００９３江苏省南京市．南京大学地球科学系地球环境计算工程研究所Ｔｅｌ．：０２５－３５９７８８８，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｄｎｊｕ（动，ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
施斌教授、博士生导师。长期从事环境岩土】：程及健康诊断方面的研究工作。通讯地址：２１００９３江苏省南京市，南京大学地球科学系地球环境计算Ｔ程研究所Ｔｅｔ．：０２５－３５９６２２０，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｂｉｎ＠ｎｉｕ．ｅｄｕ．ｅｎ
BOTDR分布式光纤传感器及其在结构健康监测中的应用
作者：张丹， 施斌， 吴智深， 徐洪钟， 丁勇， 崔何亮
作者单位：张丹,徐洪钟,丁勇,崔何亮(南京大学地球环境计算工程研究所)， 施斌(日本茨城大学工学部)， 吴智深(南京大学地球环境计算工程研究所;日本茨城大学工学部)
刊名：
土木工程学报
英文刊名：CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL
年，卷(期)：2003,36(11)
被引用次数：26次
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12.王峰.张旭苹.路元刚.董玉明提高布里渊光时域反射应变仪测量空间分辨力的等效脉冲光拟合法[期刊论文]-光学学报 2008(1)
13.宋建学.任慧志.赵旭阳大直径超长后注浆钢筋砼桩身应变分布式光纤监测[期刊论文]-平顶山工学院学报2007(6)
14.闫志刚.杜立峰结构健康监测系统及其光纤传感技术的应用[期刊论文]-石家庄铁路职业技术学院学报 2007(3)
15.刘杰.施斌.张丹.隋海波.索文斌基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究[期刊论文]-岩土力学 2006(7)
16.倪玉婷.吕辰刚.葛春风.武星基于OTDR的分布式光纤传感器原理及其应用[期刊论文]-光纤与电缆及其应用技术 2006(1)
17.宋世德长周期光纤光栅的特性及传感应用研究[学位论文]博士 2006
18.马赫-泽德光纤传感器实验研究[期刊论文]-激光与红外 2005(10)
19.魏峘.盛秋琴.张婷光纤应力传感技术研究[期刊论文]-光电子技术 2005(1)
20.于涛分布式光纤应变传感系统设计与研究[学位论文]硕士 2005
21.翟振锋光纤光栅传感技术在网架结构健康检测中的应用研究[学位论文]硕士 2005
22.严广义张家洼矿区采空塌陷地质灾害分析与评价[学位论文]硕士 2005
23.吴传斌FLAC<'3D>在隧道围岩稳定性评价中的应用研究——以昆明白泥井3号隧道为例[学位论文]硕士 2005
24.崔何亮BOTDR分布式光纤传感特性实验研究[学位论文]硕士 2005
25.张丹基于BOTDR的分布式光纤传感技术及其在工程健康监测中的应用研究[学位论文]博士 2004
26.王勃FRP加筋混凝土梁的力学与自感知性能研究[学位论文]博士 2004
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目录 一、传统桥梁结构检查与评估概述 (1) 二、现代桥梁健康监测系统概述 (2) 三、健康监测系统研究现状 (3) 四、健康监测系统实施现状 (5) $ 五、健康监测系统应用效果与存在问题 (9) 六、健康监测系统改善建议与发展前景 (10) "
一、传统桥梁结构检查与评估概述 桥梁在建成后，由于受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素，以及长期在静载和活载的作用下易于受到损坏，相应地其强度和刚度会随时间的增加而降低。这不仅会影响行车的安全，并会使桥梁的使用寿命缩短。为保证大桥的安全与交通运输畅通，加强对桥梁的维护管理工作极为重要。桥梁管理的目的在于保证结构的可靠性，主要指结构的承载能力、运营状态和耐久性能等，以满足预定的功能要求。桥梁的健康状况主要通过利用收集到的特定信息来加以评估，并作出相应的工程决策，实施保养、维修与加固工作。评估的主要内容包括：承载能力、运营状态、耐久能力以及剩余寿命预测。承载能力评估与结构或构件的极限强度、稳定性能等有关，其评估的目的是要找出结构的实际安全储备，以避免在日常使用中产生灾难性后果。运营状态评估与结构或构件在日常荷载作用下的变形、振动、裂缝等有关。运营状态评估对于大桥工件条件的确认和定期维修养护的实施十分重要。耐久能力评估侧重于大桥的损伤及其成因，以及其对材料物理特性的影响。 传统上，对桥梁结构的评估通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息进行。人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。美国联邦公路委员会的最近调查表明，根据目测检查而作出的评估结果平均有56%是不恰当的。传统检测方式的不足之处主要表现在： （i）需要大量人力、物力并有诸多检查盲点。现代大型桥梁结构布置极其复杂，构件多且尺寸大，加之大部分的构件和隐蔽工程部位难于直接接近检查，因此，这对现代大型桥梁尤其突出； （ii）主观性强，难于量化。检查与评估的结果主要取决于检查人员的专业知识水平以及现场检测的经验。经过半个多世纪的发展，虽然桥梁的分析设计与施工技术已日趋完善，但对某些响应现象，尤其是损伤的发展过程，尚处于经验积累中，因此定量化的描述是很重要的； （iii）缺少整体性。人工检查以单一构件为对象，而用于现代机械、光学、超声波和电磁波等技术的检测工具，都只能提供局部的检测和诊断信息，而不能
干涉型光纤传感器的信号处理系统 近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。 在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。在各种光纤传感器中以干涉型光纤传感器的灵敏度最高。 干涉仪结构的光纤传感器系统，通过深入研究随机信号的互相关函数和基于ＡＲ模型的功率谱估计，设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。此算法可以对外界振动进行实时预警，并实现高速、高精度的定位。 该技术可用于检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行监控、报警并提供精确定位。 研究成果对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域具有应用前景。 本文设计的光纤传感系统分为传感线路、光收发模块、数据采集和信号处理等部分。 传感线路部分是一种基于马赫一泽德干涉仪的双向干涉结构。 当干涉仪中的干涉臂受到外力引起的振动时，光纤中传输的光信号的相位会发生变化，从而导致输出干涉波形的变化。 干涉信号经光电转换、数据采集送至信号处理系统，经信号处理分析后可以对外界振动发生的位置进行定位。 信号处理部分由ＤＳＰ和ＰＣ机共同组成，ＤＳＰ用于实现事件发生检测算法，ＰＣ机实现定位算法。通过实验分析表明，事件发生检测算法可以显著地改善光纤传感器的性能，提高系统准确性，降低误报率。在合理设置采样率
的基础上，可以实现ｌＯＯＭ的定位误差。采用ＤＳＰ和ＰＣ机合理分配运算负担，可以满足光纤传感器系统实时监控的要求。 第一章绪论 １．１引言传感器是感受规定的被测物理量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置，它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下的优势：首先，光纤是一种耐高压，抗腐蚀的介质，能在电磁或电子传感器不能工作的恶劣环境下运行。其次光波的传播频率极高，具有巨大的信息容量，又能有效的防止无线电波及电火花干扰传输的光波信号。同时，光纤很细，又具有极高的韧性，可以制造各种体积小、重量轻以及任意形状的传感器。更重要的是光纤传感器可以传感各种物理量，例如声，电、磁、温度、压力、振动、旋转等，并具有极高的灵敏度。 光纤传感器利用光纤本身的敏感特性进行工作。 由光源发出的光在光纤中传播时，若应力、温度、电场、磁场等外界因素发生了变化，则光波的振幅、相位、波长及偏振态等特征参量会随之变化，该过程称为光波的调制。含有调制信息的光波经光纤传输到光电转换部分，解调后被仪器接收，即可得到外场确切变化的信息。根据被测物理量对光的调制方法不同，光纤传感器可分为强度传感器，频率（或波长）传感器，相位传感器及光纤偏振式传感器四大类。其中尤其以光纤相位传感器（即各种光纤干涉仪）的灵敏度最高。光纤干涉仪将光波的相位信息转换位强度信息，通过检测光强信号分析出所测物理量。20世纪70年代以来，在飞速发展的光纤通信技术的带动下，光纤传感
天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案 天津市市政工程研究院 2009年3月
天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案 1桥梁健康监测的必要性 由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522mM的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立健康监测的典型桥梁还有英国主跨194mM的Flintshire独塔斜拉桥、日本主跨为1991mM 的明石海峡大桥和主跨1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、挪威主跨为530m的Skarnsunder斜拉桥、美国主跨为440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。 导致桥梁结构发生破坏和功能退化的原因是多方面的，有些桥梁的破坏是人为因素造成的，但大多数桥梁的破坏和功能退化是自然因素造成的。自然原因中，循环荷载作用下的裂缝失稳扩展是造成许多桥梁结构发生灾难性事故的主要原因。近年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳和监测养护措施不足，从而严重影响构件的承重能力和结构的使用，进而发生事故。理论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损伤检测，预警及适时维修，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。 现代大跨桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式和功能日趋复杂化。虽然在设计阶段已经进行了结构性能模拟实验等科研工作，然而由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定气候环境，要在设计阶段完全掌握和预测结构在各种复杂环境和运营条件下的结构特性和行为是非常困难 的。为确保桥梁结构的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运行及查明不可接受的响应原因，建立大跨桥梁结构健康监测系统是非常必要的。通过健康监测发现桥梁早期的病害，能大大节约桥梁的维修费用，避免出现因频繁大修而关闭交通所引起的重大经济损失。 桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。安装结构健康监测系统是提高桥梁的养护管理水平，保证桥梁安全运营的高效技术手段。 特别值得一提的是，桥梁的健康监测和施工监控系统均是通过检测和监测手段，测试桥梁结构的内力、变形、环境和荷载，因此，它们在传感器系统、数据传输系统和数据采集系统都具有很大的共享性和重复性。此外，两个阶段在时间顺序上具有衔接性，施工监控阶段的监测数据是健康监测阶段的基础。为了节约资源、降低工程造价，应充分发挥两个系统的共享性，对上述两个系统进行统筹规划和实施，即采取统一设计、统一施工和统一管理的方式，以实现海河大桥的健康监测和施工监控两位一体的工程实施。 2海河大桥工程简况 集疏港公路二期中段工程起点于津沽一线立交以北，向北过津沽公路、海河大桥南侧收费站，与现状海河大桥相邻向北跨越海河后沿现状临港路、东海路向北分别跨越进港铁路一线，新港二号路，三号路，进港铁路二线，新港四号路，泰达大街，会展中心入口，第五大街，第八大街，第九大街，丰田七号路，与疏港二线立交相接。该段桩号范围K9+342.802~K20+419.245，路线全长11.076公里，除起点引路约500M和海河大桥南侧收费站前后各约300M为道路外，其余将近9.8公里均为高架桥。从南向北依次有津沽公路支线上跨分离式立交一座，海河特大桥一座，临港立交、泰达大街立交、第九大街立交互通式立交三座，其他与现状及规划道路交叉位置为直线上跨。海河特大桥工程为海滨大道工程的一部分，设计速度V＝80km/h，双向八车道。
一、引言 光纤传感由于具有本质安全、电绝缘性好、灵敏度高及便于连网等优点，已在许多物理量的测量中得到应用，特别是基于光纤干涉的传感系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。 光纤干涉仪是一种高精度测量仪器，但存在相位随机漂移及倍频等光学问题。现有文献报导中，解决的方法是采用相位生成载波技术，调制解调的实现过程复杂，并有可能产生信号波形的失真。另外，虽有采用压电陶瓷（PZT）的报导，但未见对相位随机漂移及倍频问题的具体解决方法。为此，本文给出一种简单实用的解决方案，在原理上说明其可行性，并进行了实验验证。 二、Michelson干涉型光纤传感器原理 图1所示为Michelson相位调制型光纤干涉仪结构示意图。由激光器发出的相干光经光隔离器和耦合器后一分为二分别送入2根长度基本相同的单模光纤（即干涉仪的两臂，其一为信号臂，另一参考臂），而后被反射膜反射，在耦合器的输出端发生干涉。显然，这是一种双光束干涉仪，干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度有关，其相位为两臂光相位之差，干涉场光强分布为 I=I1+I2+2I1I2cos（Φ）=A+Bcos（Φ）（1） Φ=2nπl/λ（2） 式（1）右端是光电转换的信号，I1、I2分别为干涉仪两臂单独存在时的光强，在检测时通常以直流项对待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效应，当Φ=2mπ时，为干涉场的极大值，其中m为干涉级次。式（2）中，Φ为干涉仪两臂光波的相位差，它可以表示为因为环境波动引起的随机漂移信号S和待测信号N之和，由光波波长λ、光纤折射率n以及光纤两臂长度差l共同决定。在波长一定的情况下，两臂光程差改变nl，就改变了干涉信号的相位差，从而实现传感功能。
工程结构健康监测与诊断 姓 名： 查 忍 指 导教 师： 学 号： 专 业： 沈 圣 170527005 建筑与土木工程
琅岐大桥结构健康监测系统初步设计方案 目录 1 桥梁健康监测的必要性 (3) 2琅岐闽江大桥工程概况 (5) 3系统设计原则与功能目标 (9) 3.1 系统设计依据 (9) 3.2 系统设计原则 (10) 3.3 功能目标 (11) 4 健康监测系统方案设计 (11) 4.1 传感器子系统 (11) 4.1.1 环境监测 (12) 4.1.2 视频监测系统 (12) 4.1.3 结构变形监测 (13) 4.1.4 应变(应力)及温度场监测 (14) 4.1.5 斜拉索索力监测 (15) 4.1.6 结构动力性能监测 (15) 4.1.7 监测传感器统计 (16) 4.2 数据采集系统 (17) 4.2.1 数据采集系统设计 (17) 4.2.2 数据采集系统硬件系统 (18)
4.3 数据传输系统 (19) 4.4 监测数据分析与结构安全评定及预警子系统 (19) 4.5 健康监测网络化集成技术和用户界面子系统 (21) 4.6 中心数据库子系统 (21) 4.7 系统后期维护、升级和服务等要求 (21) 4.8 施工注意事项 (22) 4.9 其它 (22) 1桥梁健康监测的必要性 由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522m米的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立
桥梁结构健康监测
目录 1. 桥梁结构健康监测的概念 0 2. 桥梁结构健康监测系统 0 2.1. 监测内容 0 2.2. 数据传输 (1) 2.3. 数据分析处理和控制 (2) 2.4. 大型桥梁结构健康监测系统 (2) 2.5. 桥梁结构健康监测的现状与发展方向 (3) 3. 桥梁结构健康监测系统的意义 (4) 3.1. 桥梁结构健康监测系统的主要作用包括： (4) 3.2. 桥梁健康监测意义 (4) 4. 现有桥梁结构监测系统存在的问题 (5) 5. 结语 (6)
桥梁结构健康监测 1.桥梁结构健康监测的概念 交通是社会的经济命脉，桥梁是交通的咽喉，交通不畅会制约社会的经济发展，所以保障桥梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至关重要。为保证桥梁安全运行、避免严重事故发生,对桥梁结构进行健康监测应运而生，桥梁结构健康监测是以科学的监测理论与方法为基础，采用各种适宜的检验、检测手段获取数据，为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证；对结构的主要性能指标和特性进行分析，及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度，并对发生后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁结构健康状态的监测与评估，为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据，并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁的使用寿命的目的。 2.桥梁结构健康监测系统 2.1.监测内容 数据采集与测量的内容主要为：变形(沉降、位移、倾斜)、应力、动力特性、温度、外观检测等。 1)变形监测 采取适宜的测量手段，对桥梁主体结构关键部位的沉降、位移、倾斜量进行监测。常用监测变形的方法有：导线测量法、几何水准测量法、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法和自动全站仪三维坐标非接触量测等。 2)应力监测 桥梁运营状态中主体结构的应力变化是由于主体结构的外部条件和内部状态变化引起
光纤光栅传感器是一种常用的光学传感器件，分布式光纤光栅就属于准分布式光纤传感器件中的一种。选题方向合理。请尽快确定课题完成方式，明确研究内容，尽快开展课题调研论证工作。75 分布式光纤光栅传感技术 光纤传感技术是一种以光纤为媒介，光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界因素的影响越小越好，但是，在实际的光传输过程中，光纤容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、应变等外界条件的变化将引起光纤中传输光波的特征参数如频率、相位、光强、偏振态等的变化，通过测量这些参数的变化，就可以得到外界作用于光纤的物理量，这就是光纤传感技术。光纤传感技术的基本原理是：将光源的光入射进光纤，当光在光纤中传输的过程中受到外界物理量影响，使得被测参数与光纤内传输的光相互作用，进行调制，从而使其光学性质如光的频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后将这一调制的信号光送入光探测器中进行解调，经信号处理后就可获得被测参数。 光纤传感器与传统传感器相比具有许多明显优势： 1）体积小、重量轻，几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列。 2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。 3）光纤传感器件多是无源器件，对被测对象影响较小。 4）便于复用，便于成网。它既可以作为信息的传递媒介，又可以作为信号测量的传感装置。 5）光纤传感器传输频带宽，动态范围大，测量距离长。 光纤传感器的种类很多，按照其工作方式可分为：点式、准分布式和分布式三类。其中，准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的，其光纤不作为传感元件，只作为传输元件，其敏感元件为多个点式的传感器，它们采用串联或各种网络结构形式连接起来，利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统，进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布，也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息。 光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外，还具有波长编码，抗干扰能力强等特性。另外，它较易于在一根光纤中连续写入多个光栅，以制成分布式光纤光栅传感，制得的光栅阵列轻巧柔软，可与渡分复用或时分复用技术等相结合，且十分适于作为分布式传感兀件贴于结构表面或埋人到材料和结构的内部，以实现对结构应变、温度以及压力等的多点监测，这对于目
基恩士光纤传感器的分类 KEYENCE光纤传感器根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、偏振态制型、相位制型、频率制型；KEYENCE光纤传感器根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型；KEYENCE光纤传感器根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为：分布式和点分式；根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功能型（传光型）传感器。 基恩士光纤传感器的原理 KEYENCE光纤传感器光纤布拉格光栅传感器（FBS）是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。 当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传播。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关传感器产品的选型，报价，采购，参数，图片，批发等信息，请关注艾驰商城。https://www.doczj.com/doc/0b1772488.html,/
隧道支护体结构健康监测系统的构建 结构健康监测是为了实现结构无损伤监测，在这个过程中使用了很多的方法对现场无损传感器采集到的数据进行结构系统特性分析。隧道结构和其他建筑形式存在着很大的不同，因此，在施工中，隧道支护体和围岩之间存在着相互作用的情况，而且情况比较复杂，这样就导致结构健康监测在隧道施工中应用非常缓慢。随着新技术和新理论的出现，隧道结构也发生了很大的改变，对其进行结构健康监测也慢慢成为了隧道安全管理中非常重要的组成部分。 标签：隧道支护结构；健康监测系统；构建 1 引言 近年来，我国的建筑工程行业获得了很大的发展，其在很多建筑结构施工中都应用了先进的施工技术，在施工方法上也进行了改变，因此，对隧道工程施工的结构安全性进行监测成为了检验隧道安全的重要措施。隧道施工取得了很大的进步，同时，在施工健康监测方法也取得了很大的进步，对现有的施工技术情况进行掌握，更加系统和全面的对采集传输进行更好的利用，在进行采集的时候，可以对施工现场的化学成分相关信息进行收集，然后对施工过程中可能存在的风险进行识别，这样也能提高监测的准确性。隧道施工过程中，一定好保证施工的安全性，这样不仅仅能够更好的提高施工企业的信誉，同时，也能促进隧道工程建设获得更好的发展。现在，对隧道施工进行监测是有一些方法的，隧道施工安全监测与其相比存在很大的差别，其在发展过程中实现了更加系统、全面的发展，经济性方面也非常好。 2 隧道施工健康监测系统组成探讨 隧道健康监测系统在利用过程中实现了在施工前、施工中和施工后的健康监测，在施工前，健康监测能够对出现的风险进行识别，同时，也能将出现的风险进行排除；在施工中，健康监测能够对施工中出现的任何情况都进行了解；在施工后，能够保持观测角度对隧道健康监测系统进行分析，对系统的组成情况进行掌握。 隧道是非常特殊的施工工程，在施工过程中面临的问题也非常多，对出现的问题及时发现进行处理，对保证施工的安全性非常有利。在施工前，对开挖的风险进行监测，同时进行提醒，这样能够促使整个施工是在安全控制状态下进行施工，施工前要对施工地点的地质进行分析，在确定没有安全隐患的情况下，制定施工组织计划，避免出现盲目施工的风险。隧道在施工过程中，开挖工程具有的风险非常大，开挖过程中非常容易遇到瓦斯、地下水以及地质构造破碎的情况，为了更好的提高安全性，在施工中可以对先进的技术进行利用，对提高隧道施工工程的监测和应急能力非常有利。 对施工人员和施工设备进行监测，对可能出现的风险可以进行有针对的预
文章编号：1009-6825（2011）17-0188-02 浅议桥梁结构健康监测系统 收稿日期：2011-02-24作者简介：王 兰（1983-），女，助理工程师，中交路桥技术有限公司，北京100029 王 明（1982-），男，工程师，中铁二十二局集团第一工程有限公司，北京100040 王兰 王明 摘 要：对桥梁结构健康监测的传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统及桥梁健康评估系统进行了论述，指出了目前国内外桥梁结构健康监测系统存在的差距，阐述了应用桥梁结构健康监测系统的意义，旨在保证桥梁运 营安全。 关键词：桥梁，健康监测，系统中图分类号：U446 文献标识码：A 尽管（截止到2006年）我们国家现有桥梁已经达到了50万余座， 但是有些地方的桥梁管理者对现有桥梁的管理仍然是“被动式”的，也就是当桥梁发生安全事故的时候才对桥梁进行维护（检测和加固）。这种被动式的管理不可避免的会带来桥梁安全事故的频繁发生，如近几年的重庆彩虹桥、宜宾小南门桥、苏州堰月桥以及辽宁盘锦的田庄台桥等塌桥事故。随着桥梁管理理念的发展和桥梁检测、 健康监测以及评估方法的进步，使得变“被动式”的桥梁管理为“主动式”桥梁安全管理成为可能。“主动式”的桥梁管理核心是建立桥梁维护管理制度，定期对 桥梁进行检测（对重大桥梁安装桥梁结构健康监测系统，对其进行“实时检测”），及时了解桥梁的安全状况，并采取相应的修理措 施，避免安全事故的发生。 1桥梁结构健康监测系统基本框架 一个较为完整的桥梁结构健康监测系统一般包括以下四个 子系统：传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和桥梁健康评估系统。 1．1传感器系统 一般桥梁结构健康监测系统选用的传感器包括两大类：一类 是监测桥梁荷载（系统输入）的传感器，一类是监测桥梁结构反应（系统输出）的传感器。 监测桥梁荷载的传感器包括以下几种：温度计、风速仪、空气温湿度计和汽车动态称重系统等；监测桥梁结构响应的传感器包括以下几种：应变计、加速度计、GPS 、倾角仪、位移计、锚索计等。 根据不同的桥梁结构形式和工程预算的约束，不同的工程可以选择不同的传感器种类和数量。传感器系统设计主要是传感器种类和数量的选择，重点是传感器布点优化设计。 1．2数据采集与传输系统 数据采集设备一般包括五种：1）通用采集仪器，主要采集电类传感器信号，一般可针对具体的项目进行特殊设计。2）光纤光栅解调仪，光纤传感器是近些年来兴起的传感器种类，对于桥梁 监测系统光纤应变计和温度计得到了日益广泛的应用，采集光纤传感器信号使用光纤光栅解调仪。3）振弦采集仪，对于振弦原理 设计的传感器必须用振弦采集设备，如锚索计等。4）GPS 接收机， GPS 数据采集由专门的系统设备完成，GPS 天线通过同轴电缆连接至相应的GPS 接收机。5）动态称重主机， WIM 系统的数据通过高速称重主机接收压电传感器和地感线圈的信号来进行采集。 数据传输包括三个层次：1）从传感器到采集设备的局部传输网络；2）从采集设备到桥头交换机二级传输网络；3）从桥头交换 机到监控中心的骨干传输网络。数据采集与传输系统主要是与 传感器匹配的采集仪器的选择、通道数和采集频率的确定，以及数据传输方案的设计。 1．3数据处理与控制系统 在结构健康监测系统中，对系统监测数据的处理根据处理方 式、处理内容以及处理顺序的不同分为数据预处理和数据后处 理。系统的数据处理功能由数据库服务器与工控机共同来完成。数据采集系统中的原始监测数据的预处理是在各子系统采 集仪上完成， 包括通用数据采集仪、光纤解调仪、GPS 接收机、WIM 称重主机。预处理后的数据经桥头交换机通过光纤传回监控中心，监控中心的工控机接收预处理后的数据并实时显示。 经预处理后的数据实时的传输至监控中心，在各工控机中通过数据处理软件进行数据后处理，由于数据后处理涉及更为复杂的处理方式，因此有时可能需要进行人机交互的数据处理方式。 1．4桥梁结构健康评估系统 桥梁结构健康监测系统直接目的是为了桥梁结构评估。桥梁结构评估包括两个层次：一个层次是基于对监测数据的分析判定桥梁上是否发生了病害，并确定病害大致位置，辅以人工检查确定病害程度和性质。第二个层次是在上述病害下桥梁是否安全，是否需要维修加固。第一个层次是桥梁损伤识别的研究范畴；第二个层次一般有基于可靠度理论的分项系数评估方法和基于精细有限元分析的力学方法。桥梁健康评估系统是桥梁健康监测系统的核心。桥梁健康评估系统主要功能是根据采集的数据和分析结果对桥梁承载能力进行评估， 为桥梁维护提供决策依据。2桥梁结构健康监测系统国内外应用现状 20世纪60年代以来，由于发达国家桥梁严重退化，安全事故不断发生和事故后果的严重性，工程技术人员对桥梁结构监测展开了积极的探索。一方面是桥梁管理系统的研究，美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家最先开发了基于计算机的桥梁管理系统，美国从20世纪60年代起就开始使用桥梁管理系统，建成了大量的数据库，以便对桥梁进行科学管理。另一方面是监测系统的研究，到90年代国内外许多大型桥梁安装了健康监测系统，如日本的明石海峡大桥、丹麦的Great Belt 和中国的江阴桥等。 中国香港的青马大桥、汀九桥和汲水门桥三座桥梁同时安装了风与结构健康监测系统WASHMS （Wind And Structural Health Monitoring System ），为便于集中管理，相关部门建立了一个整体监控中心，三座桥梁共用一套整体的数据处理与控制系统和结构健康评价系统，三座桥梁的数据采集与传输作业的控制在监控中心 · 881·第37卷第17期2011年6月 山西 建筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol．37No．17Jun．2011
干涉型微纳光纤传感器 金龙，李杰，关柏鸥 (暨南大学光子技术研究所，广州，510632) 摘要：本文报道我们在干涉型微纳光纤传感器方面的研究进展，包括高双折射微纳光纤环形传感器、级联长周期光栅传感器及基于单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。通过对干涉仪几何结构的设计与优化，实现了104 nm/RIU 量级的折射率感测灵敏度，为研制成本低廉、高灵敏度的光学生物化学传感器提供了可选方案。 关键词：微纳光纤；微纳光纤传感器；干涉型传感器 微纳光纤传感器具有体积小巧、结构灵活、强瞬逝场等特点，基于对周围液体折射率的测量，能够实现对微弱生化成分变化的检测。已报道的微纳光纤折射率传感器包括光栅型、谐振型等。我们通过结构设计与优化，实现了几种干涉型微纳光纤折射率传感器，具有折射率灵敏度高、温度灵敏度低，制作成本低等优点，具体包括： （1）高双折射微纳光纤环形传感器。在闭合光纤环镜结构中加入一段由矩形截面光纤熔融拉锥而成的高双折射微纳光纤，构成M-Z 干涉型传感器，其折射率灵敏度达到18897nm/RIU ，并通过进一步将干涉仪制成灵巧型尖端式结构，将灵敏度提升到24373nm/RIU ，温度灵敏度仅为5 pm/°C 。理论分析表明其传感特性由群双折射色散决定，可通过对光纤截面的椭圆度和和直径的优化实现灵敏度的提升。 （2）级联长周期光栅微纳光纤传感器。通过用CO 2激光器在微纳光纤上构成级联长周期光栅，感测灵敏度达到2227nm/RIU ，温度灵敏度为11.7 pm/°C ，并通过理论计算指出，通过进一步降低光纤直径到 3.5μm 左右时，由于瞬逝场作用的增强和模式色散因子的降低，感测灵敏度有望达到40000nm/RIU 左右。 （3）单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。在光纤熔融拉锥过程中，通过减小过渡区长度，可激发微纳光纤中的高阶模式，并基于单个锥区实现干涉仪结构。这种结构制作方法简便，锥区总长度更短，本文还将介绍我们在这方面的最新结果。 CO 2 Laser L d =9.5μm 73.5 μm d Λ 图1左图：基于高双折射微纳光纤环镜结构的传感器原理图及实物图；右图：基于级联微纳光纤长周期光栅的干涉型传感器原理图及实物图。
XXXX 隧道结构全寿命健康监测系统方案 2017年6月8日
目录 1 工程概况 (1) 2监测断面选取 (1) 2.1隧道衬砌结构受力及变形状态监测断面选取 (1) 2.2地震信息监测断面选取 (3) 2.3隧道结构腐蚀监测断面选取 (4) 3监测内容及监测元件选取 (4) 3.1隧道结构受力及变形状态监测内容及监测元件选取 (5) 3.2 地震信息监测元件选取 (8) 3.3隧道结构腐蚀监测元件选取 (9) 4费用预算 (10)
1 工程概况 xxx隧道的建设对xxx市的社会、经济发展具有十分重要的意义，xx隧道建成后，其长期安全的保证至关重要。 2监测断面选取 为保证xx通道隧道结构长期安全，考虑隧道管片衬砌结构所赋存的工程水文地质条件及施工特点，拟针对隧道结构受力及变形状态、地震及钢筋混凝土腐蚀三个方面的信息进行长期监测，分别选取典型监测断面信息如下所示。 2.1隧道衬砌结构受力及变形状态监测断面选取 综合考虑隧道赋存地层的工程水文特性、隧道埋深及结构体系情况，盾构段选取10个测试断面，岸上明挖段选取2个测试断面（见图2），其相应的里程及断面特征如表1所示，各个监测断面的具体地层及水文地质信息如图3所示。 表1 隧道结构受力及变形状态监测断面 1
图2隧道结构受力及变形状态监测断面分布图 (a)断面1 (b)断面2 (c)断面3 (d)断面4 (e)断面5 (f)断面6
(g)断面7 (h)断面8 (i)断面9 (j)断面10 (k)断面11 (l)断面12 图3隧道结构受力及变形状态监测断面地质纵断面图 2.2地震信息监测断面选取 综合考虑隧道赋存地层的工程水文特性及消能节点设置情况，选取如下4个测试断面（见图4）进行地震信息监测，其相应的里程及断面特征如表2所示。 图4 地震信息监测断面分布图
隧道结构健康监测的发展趋势 [摘要]：随着我国经济建设和城市的快速发展，城市人口增长对城市交通的压力急剧增大，世界各国都在通过修建各种城市地下隧道来缓解这一矛盾，各类城市隧道工程在规模和数量上都得到了迅猛发展。隧道结构的安全性变得日益突出，而隧道工程的理论分析同实际情况存在作较大的差异，使得隧道结构的健康监测变得日益突出。 1. 健康监测的目的意义和必要性 隧道安全关系着人类生命安全和社会经济活动，由于隧道地质条件恶化、火灾、结构损伤、退化和失稳等造成的事故，严重威胁着隧道的正常运营。隧道施工的安全问题引起了人们的密切关注，主要表现在以下方面： 1）隧洞开挖的进口段：由于隧洞都是浅埋隧洞，且都存在边坡，导致该段围岩两面临空，加上爆破的影响导致围岩的自稳能力下降，支护结构受力存在一定的不确定性。 2）构造带：由于围岩受构造影响，节理裂隙发育，无规律性，围岩的自稳性能极差，围岩多呈松散结构，断层带的影响宽度不确定，加之水的影响，使得该段产生冒顶及垮塌的可能性加大。 3）浅埋段：潜埋段隧道围岩，在碳酸岩地层受水体溶蚀的影响较大，加之围岩顶板较薄，出现冒顶的现象可能性加大，加大了开挖及支护过程中的难度。 4）岩溶发育段：由于岩溶发育地段很难查清岩溶的发育规模及范围，在开挖及支护过程中增加了不确定因素。 5）地层走向不利地段：由于岩层的走向及倾角对围岩的自稳性能影响较大（如水平岩层）。 6）含软弱夹层围岩：由于夹软弱夹层的围岩，多会出现冒顶及垮塌现象。 7）水影响段：由于水体的存在，多会对层间结构面的力学指标有较大的不利影响，加之施工过程中对水体通道的改变产生的淘蚀作用，使得围岩的自稳性能恶化。 8）软岩段（围岩级别）：岩体自稳能力差，围岩开挖暴露后崩解，遇水容软化。 9）含水层与相对隔水层交界处，而产生突涌泥现象。 由于有以上不良地质情况的存在增加了隧洞在施工期间及运营期间安全隐患。 为了确保隧道工程安全、及时预报险情，除了对隧道进行加固、维护之外，对隧道工程的安全和稳定状态的监测和评估也十分重要。建立监测系统对隧道工程进行监测、评估和预测以趋利避害，已经成为现代隧道工程发展的迫切要求。此外，随着人们对工程施工过程和现役工程长期监测的重要性认识的不断深入，
拉曼型分布式光纤传感器DTS 拉曼型分布式光纤传感器DTS描述: 产品简介 拉曼型分布式光纤传感器DTS是国内外应用较成熟的分布式光纤测温技术,利用自发拉曼散射效应和光时域反射技术实时获得沿光纤分布的温度信息,结合智能火灾判断算法,可及时预警火灾隐患,并精确定位火灾发生位置。 诺驰光电的DTS产品采用模块化设计,可靠性高;同时凭借高速微弱信号处理技术优势,实现0.5m空间分辨率,技术指标国内领先。诺驰光电可提供基于多模光纤和单模光纤的DTS,尤其适合高压电缆在线监测、电力载流量分析、交通隧道火情监测、油气储罐火情监测、输煤皮带火情监测、大坝渗漏监测应用。 测量原理 拉曼型分布式光纤传感器DTS的温度测量基于自发拉曼Raman散射效应。大功率窄脉宽激光脉冲入射到传感光纤后,激光与光纤分子相互作用,产生极其微弱的背向散射光,包括温度不敏感的斯托克斯Stokes光和温度敏感的反斯托克斯Anti-stokes光,两者波长不一样,经波分复用器WF分离后由高灵敏的探测器APD探测,根据两者的光强比值可计算出温度。而位置的确定是基于光时域反射OTDR技术,利用高速数据采集测量散射信号的回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。
技术优势 ?连续分布式温度测量,无测量盲区?光纤即为传感器,可抗干扰 ?测量距离长?可精确定位 ?测量速度快?本质安全,适于易燃易爆环境下长 期工作 ?测量稳定可靠,误报率低?光纤寿命长,几十年免维护 性能特点 ?测量距离:10km?空间分辨率:0.5m—10m ?取样分辨率:0.25m—1m?测量时间:5s ?测量精度:1℃?友好的用户软件,提供可视化界面?提供单模光纤版本产品应用Applications 性能指标
桥梁健康监测系统方案
目录 1 项目概况---------------------------------------------------------------- 1 1.1 桥梁概述----------------------------------------------------------- 1 1.2 监测目的----------------------------------------------------------- 1 1.3 监测依据----------------------------------------------------------- 1 1.4 监测内容----------------------------------------------------------- 1 2 基本思路--------------------------------------------------------------- 2 3 巴河特大桥健康监测断面及测点布置----------------------------------- 2 3.1 主梁关键截面竖向变形-------------------------------------------- 2 3.2 主梁关键截面应变监测-------------------------------------------- 3 3.3 箱梁温度、湿度--------------------------------------------------- 3 3.4 车辆荷载---------------------------------------------------------- 4 3.5 监测仪器设备------------------------------------------------------- 4 4 监测系统---------------------------------------------------------------- 4 4.1系统组成---------------------------------------------------------- 4 4.2 监测系统实施方案------------------------------------------------ 5
1 光纤传感器基本原理 随着工艺水平的提高，光纤技术目前相对成熟。光纤传感器即为应用光纤传输的基本原理组合的一个广电感应系统。通常的光纤传感系统由光源、光导纤维、光传感元件，光调制元件和信号处理部分组成[3]。其工作原理如下图所示：光源发出的光经过光导纤维进入光传感元件，而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件测量的参数调制成幅度、相位、偏振等信息，这一过程称为光电转换过程，最后利用微处理器进行信号分析。 如前所述可以看出光纤传感器的传感机理和电磁传感器的传感机理是相似的，但是光纤传感器由于其测量信号的载体是激光，其在光导纤维内部传播，很难受到外界电磁场干扰，因此适合复杂工况下的检测，且操作方便灵活，信号输出自动化。 2 光纤传感器的分类及特点 2.1 光纤传感器的分类 2.1.1 光纤传感器的分类有不同的方式 按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。 传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。 2.1.2 传光型光纤传感器 传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有 Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero 腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。 2.2 光纤传感器的特点 研究和工程应用表明光纤传感器具有如下特点： ⑴高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统很难受到外界场的干扰，且光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。 ⑵光纤具有很好的柔性和韧性，所以传感器可以根据现场检测需要做成不同的形状。 ⑶测量的频带宽、动态响应范围大。 ⑷可移植性强，可以制成不同的物理量的传感器，包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。 ⑸可嵌入性强，便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。 3.光纤传感器土木工程中的应用举例 随着光纤传感技术的发展，在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用，用来测量混凝土结构变形及内部应力，检测大型结构、桥梁健康状况等，其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。
结构健康监测 目 录 ?1概念 ?2过程 ?3理想的结构健康监测方法 ?4工作流程图 ?5研究内容 概念 ????? 结构健康监测（Structural Health Monitoring，简称SHM）是一种技术，是智能材料结构在实际工程中的一种很重要的应用。结构健康监测系统是一种仿生智能系统，可以在线监测结构的“健康”状态。它采用埋入或表面粘贴的传感器作为神经系统，能感知和预报结构内部缺陷和损伤。结构整体与局部的变形、腐蚀、支撑失效等一系列的非健康因素，是一种对材料或结构进行无损评估的方法。当遇到突发事故或危险环境，系统可通过调节与控制使整个结构系统恢复到最佳工作状态。系统还可通过自动改变和调节结构的形状、位置、强度、刚度、阻尼或振动频率使结构在危险时能自我保护，并继续生存下去。过程 结构健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。 理想的结构健康监测方法 理想的结构健康监测方法应该能准确的在损伤发生的初期，发现损伤并能够定位及确定损伤的程度，进而提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。 工作流程图 研究内容
结构健康监测系统在国民生产中的应用非常广泛，特别是在工程中，有很多材料结构需要及时的维护及监测，用传统的监测方法耗时、费力，并且费用昂贵，而运用结构健康监测的技术就可以使这些缺点得到改进。结构健康监测的技术有如下优点：（1）实时在线地监测及安全性评估，节省维护费用。 （2）依靠先进的测试系统，可减少劳动力和降低人工误判。 （3）可以及时的和最新技术相结合。 （4）大多数具有自修复功能。 （5）自动化程度高，可以大大提高安全性和可靠性。 近年来，随着材料和结构损伤特征信号处理技术研究的进展，传感/驱动技术研究的深入，监测系统越来越多地应用于实际的工程实践中，比如先进战斗机和超期服役飞机的健康监控、航天器及空间站的健康监测和民用结构的在线监测。 结构健康监测的主要研究内容包括传感技术、信号处理技术和集成技术。 1）传感技术 在结构健康监测系统中，需要监测的对象主要有应力、应变、声发射、位移、压力、温度、结构损伤等多种参数，而最常用的传感器有：光纤传感器、压电元件和应变元件。光纤传感器有电绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，但成本较高，设备也比较复杂，应用范围可以从民用结构到航空航天结构。压电元件既可以作为传感器也可以用作驱动器，灵敏度高，动态性能好，应用也比较广泛，但它有脆性大、不易埋入结构中，低频特性等缺点。应变元件具有灵敏度较高、静态性能好和性能稳定等特点。上述传感器不仅应该满足相应测量点的要求，而且应该能够组成一种经济可靠的分布式传感网络，从而实现大范围连续的健康监测。 2）信号的采集与处理 信号的采集与处理系统可以说是结构健康监测的一个重要部分，目前国内外都在大力开发相应的软件。从传感器采集的信号包含很多信息，通常情况下，由于外界环境噪声的影响及复合材料的复杂特性等原因，使得损伤特征信号的分析和提取异常困难，因此选择合适的信号处理方法就显得尤为重要。