基于FBG传感技术的国防工程监测研究

张永红 刘 航 马 鸣 路 伟

(1.解放军理工大学，江苏 南京 210007;2.中国人民解放军69006部队，新疆 乌鲁木齐 830002; 3.中国人民解放军73071部队，江苏 徐州 221400)



基于FBG传感技术的国防工程监测研究

张永红1刘 航1马 鸣2路 伟3

(1.解放军理工大学，江苏 南京 210007;2.中国人民解放军69006部队，新疆 乌鲁木齐 830002; 3.中国人民解放军73071部队，江苏 徐州 221400)

针对传统传感技术在国防工程监测中存在的问题，提出了FBG传感监测技术，介绍了其组成及技术原理，并阐述了该监测技术在国防工程中的应用，指出FBG传感技术具有高精度、高灵敏度、抗电磁干扰等优势。

FBG传感技术，国防工程，实时监测，承载力

0 引言

国防工程是为满足军队作战需求而建设的防护工程。例如，各类指挥通信工程、飞机洞库、潜(舰)艇洞库、导弹发射井、后方仓库洞库等。为增强防护能力，满足保密要求，大多数的国防工程处于边海防或纵深要地，条件复杂的山区、河谷等，一般位于地表以下，工程地质环境极为恶劣。

长期以来，国防工程在遏制外敌入侵、巩固国防和保障国家安全方面发挥了重要作用，成为国家重要的威慑力量。在信息化战争条件下，随着武器装备的发展以及打击手段和方式的变化，国防工程的建设面临着诸多新的挑战，例如高技术侦察监视、高精度打击、深钻地攻击等威胁，国防工程建设发展已滞后于武器装备发展，这就需要不断发展新的防护技术，增强防护效能，提高国防工程的建设水平，以适应现代信息化战争的需要。

1 研究背景

近年来，国防工程结构，特别是早年修建的钢筋混凝土结构老化损伤的问题，越来越成为制约国防工程发展的突出矛盾，不仅需要投入巨资进行维护和更新，更重要的是结构的安全性可靠性不能得到保证，甚至有些工程即使修复也可能已失去防护能力。再加上，当前卫星侦查技术的快速发展，国外敌对势力的严密监视，使得现在很难在满足保密要求的前提下进行大规模的国防工程建设。

即使是在正常使用状态下，国防工程也会出现不同程度的损伤破坏。不难发现国防工程大部分是钢筋混凝土结构，是由钢筋和混凝土组成的。而钢筋混凝土结构必然会面临各种损伤问题。对于混凝土，其损伤主要是混凝土的开裂(钢筋混凝土结构损伤征兆最一般的现象是开裂，大部分损伤都可以通过对裂缝的监测进行识别)，而钢筋的损伤主要是钢筋的腐蚀。由于钢筋大部分位于混凝土内部，一方面钢筋腐蚀会出现局部膨胀，在混凝土结构内部产生膨胀应力，造成混凝土开裂；另一方面由于混凝土出现裂缝后，水、空气、CO2等的侵入会使钢筋腐蚀，两者相互作用，共同促进，从而可能使结构丧失承载能力，造成国防工程的综合破坏。尤其是港口、潜(舰)艇洞库等工程因处于海洋环境，被海水侵蚀引发钢筋锈蚀，导致构件开裂、腐蚀情况最为严重。

另外，国防工程与民用建筑工程的根本区别在于它主要应用于军事，是抵抗武器破坏效应和确保人员生存能力的主要依托，武器产生的侵彻爆炸效应直接或通过岩层等防护层介质作用在工程结构上，从而造成结构的损伤甚至是破坏。

国防工程破坏严重对国家安全造成巨大威胁，国防工程的健康安全状况关系着国家人民的安全和国家切身利益。因此，针对重大工程结构(不仅仅包括在建工程结构，更多的应该是已建工程)进行实时监测、及时识别结构的累积损伤，对可能出现的灾害损伤提前预警，提高结构的安全性和可靠性显得尤为重要。

2 传感监测面临的问题与FBG传感技术

当前，传统传感技术在工程监测方面的发展主要面临以下几个方面的问题：

1)监测数据的不完整。传统的常规监测由于结构监测传感器大多只能布置在数量有限的位置上，造成实测数据不完整。监测数据的不完整就无法给结构损伤识别提供有用的信息，对结构监测也就失去意义。

2)监测数据的不精确。传统的常规监测在对监测的数据进行进一步的采集和处理过程中，由于电子信号的随机误差存在，并且由于传感器质量问题也会带来一定的系统误差，进而造成信号处理或识别技术具有非常大的不精确性。

3)监测性能的不完善。传统的常规监测技术在远距离传输以及抗电磁干扰等方面存在一定的缺陷，无法适应在恶劣环境中工作，一旦敌对我防护工程实施电磁干扰，就很难做到及时快速地对外部荷载、温度等突变做出及时响应，也就难以满足现代化战争中国防工程的建设要求。

传感监测的最重要性质是可靠性。通常按照可靠性递减的顺序依次是光学式、机械式、液压式、气压式、电测式。FBG传感技术是利用光纤对环境变化的敏感性(温度和应变是光纤光栅直接传感检测的两个最基本的物理量，其他物理量的传感都是以光纤光栅的温度应变传感为基础间接衍生出来的)原理，由激光器发出光信号，在传感区域经调制解调后进入耦合器，待测参数与进入调制区的光相互作用，产生模式耦合，当满足Bragg条件时，光栅起到了一个反射镜的作用，反射回一个窄带光波(其余的光波从光栅的另一端透射出去)，通过检测满足Bragg条件的反射波中心波长发生的位移ΔλB来检测作用在光纤光栅上的温度、应变、应力等测点被测信号。

ΔλB=αεε+αTΔT。

其中，αε为FBG应变灵敏度系数；αT为FBG温度灵敏度系数。

FBG传感技术除了利用光信号进行信息传输，具有高灵敏度，高精度的特性外，其主要组成是石英(SiO2)，在抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀方面也有很好的性能。同时，传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；再加上使用波分复用技术，通过FBG解调器可计算出待测结构的各个测点的反射波长情况，从而得到各个测点的被测参数。

通过对比分析，FBG传感技术的监测效果比传统监测技术要好很多。采用串联N个FBG传感器方式，可实现准分布式监测，而且可以埋入结构内部，对结构进行全方位实时监测，利用光信号进行数据传输，增强了数据采集的准确性。采用基于FBG传感技术的传感系统可实现对国防工程的实时动态监测，并作出动态响应。

3 应用研究

1)国防工程老化损伤的健康监测。对于早年修建的国防工程出现老化损伤，必须判断其损伤程度，计算其结构承载能力，耐久性等各项性能指标，进行健康监测。在此基础上采取相应的对策，其对策关系到国防工程能否继续具有防护功能。

例如，在近海岸某港口建造了20余年的钢筋混凝土建筑物。经过调查，伴随着钢筋腐蚀，沿着柱子的钢筋发生开裂。在这样的情况下，由于钢筋锈蚀而产生开裂，最好能修补开裂部分的钢筋混凝土。但是对于建筑物所处的环境条件(海岸边)，经过的年数已经久远，因此，就需要监测开裂修补处及其周围的应变，以确保修补后能继续安全稳定工作。

2)国防工程混凝土固化期内部温度变化作用下的监测。大体积混凝土固化期内部温度变化是其开裂的主要原因,这种开裂主要有以下两种类型：a.表面裂缝：水泥在水化过程中产生一定的水化热，其大部分热量是在水泥浇筑后3 d以内放出，大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发，内部温度不断上升，体积膨胀，而表面散热较快，使截面内外形成温度差，产生拉应力而发生裂缝；b.贯通裂缝：一旦体积膨胀之后的混凝土构件冷却时，会产生收缩变形，但外部的收缩变形受到约束，试构件产生拉应力而发生裂缝。

我国GB 50496—2009大体积混凝土施工规范中规定，对于大体积混凝土施工时内外温差不宜超过25 ℃或降温速率不宜超过2 ℃/d。FBG的温度传感可对结构内部进行实时监测，获取准确温度数据。

3)国防工程在动荷载作用下的监测。在洞库的钢筋混凝土结构，由于动荷载和高频率作用下，裂缝很小并且只有在施加载荷的情况下才会出现，过后裂缝又闭合，在早期较难发现；从某时刻开始，荷载施加时发生裂缝，过后也不闭合。在这种情况下，结构就可能已经发生严重损伤开裂，甚至是破坏了。因此，在这种情况下，对传感技术的精度提出了更高的要求，采用光信号进行数据传输的FBG传感技术，其精度是其他传感技术无法比拟的。

4)国防工程在火灾、爆炸等局部温度变化作用下的监测。火灾、爆炸等都会在其发生区域附近瞬间产生高温高压。在高温作用下，钢筋混凝土材料的性能会受到不同程度的损伤，混凝土的强度和弹性模量随温度升高而降低，钢筋虽有混凝土保护，强度也会降低，两者之间的粘结锚固能力降低，结构性能将发生重要的变化，包括抗压、抗拉强度等。这些变化很难通过表面观察做出判断，必须依靠传感器对结构内部应变变化的监测，得出火灾等高温对结构的影响，从而作出预判，采取相应措施。在这种高温下，传统的传感器将失去工作能力。

5)国防工程在爆炸冲击、地震等偶然荷载作用下的监测。显然，防护工程与民用建筑工程的根本区别在于它主要应用于军事，是抵抗武器破坏效应和确保人员生存能力的主要依托，武器产生的侵彻爆炸效应直接或通过岩层等防护层介质作用在防护结构上，从而造成结构的损伤甚至是破坏。大多数国防工程位于条件复杂的山区，地质条件恶劣，极易因地震等灾害而出现破坏。然而，对于国防工程，大多数的结构破坏是由爆炸、地震等产生的一定频率的振动波造成的。FBG传感技术的工作频率不仅满足低频振动系统的工作要求，同样适用于高频振动系统。

4 结语

尽管，国防工程的设计者可以做到利用指定的、合适的、能精确到工程设计要求的人造材料进行设计，根据材料特性，按照设计规范便可做出精确的分析，设计出图纸以及详细的设计说明，只要设计与结构要求相符就可以保证结构的安全性和可靠性，但由于外部环境侵蚀，偶然荷载冲击，混凝土自身的干缩老化等各种因素长期的耦合作用，结构损伤是难以通过设计而避免的。国防工程结构在服役期内不可避免的产生损伤积累，造成承载力的下降，失去防护能力，在极端情况下甚至可能还会引发灾难性的事故。

因此，无论是平时正常使用还是战时武器侵彻破坏，都需要在最短时间对工程整体的健康状况作出判断，以便寻求最佳的解决方案，而FBG在抗电磁干扰、耐腐蚀等方面的优点保证了其能长期有效工作，为国防工程防护提供最准确的监测数据，实时动态监测，及时判断出损伤位置、损伤类型、损伤程度等。

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Research on national defense engineering monitoring based on FBG sensing technology

Zhang Yonghong1Liu Hang1Ma Ming2Lu Wei3

(1.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.PLA69006Team,Urumqi830002,China; 2.PLA73071Team,Xuzhou221400,China)

In light of problems of traditional sensing technology existing in national defense engineering monitoring, the paper puts forward FBG sensing monitoring technology, introduces its components and technical principles, describes the application of monitoring technology in national defense engineering, and finally points out advantages of FBG sensing technology, such as high accuracy, high flexibility, and anti-electromagnetic interference and so on.

FBG sensing technology, national defense engineering, timely monitoring, bearing capacity

1009-6825(2016)20-0041-02

2016-05-03

张永红(1979- )，男，硕士，助理工程师

TP212

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