光纤光栅传感器在吊索健康监测中的应用

谢永宏，黄晓燕，蒋波，冯维一，方玄

（江苏法尔胜光电科技有限公司，江苏 无锡 214400）

1 前言

悬索桥、斜拉桥和拱桥的缆索是桥梁体的关键受力结构，其性能已成为桥梁设计、施工、使用期限和安全性能等方面决定性因素。缆索的损伤如不能及时得到检测和维护，往往因腐蚀、风振以及车辆通行造成局部疲劳，导致缆索使用寿命缩短甚至断裂，轻则影响行车安全，重则导致桥梁突然倒塌。因此，随着国内外跨海跨江的超大型桥梁对缆索性能要求的不断提升，建立一套针对桥梁缆索的智能在线监测系统显得尤为迫切。

桥梁健康监测系统综合了现代传感技术、信号分析与处理技术及桥梁结构分析理论等多个领域的知识，提高了预测评估的可靠性。我国在该领域的研究起步较晚，1997年竣工的香港青马大桥建立了规模较大的桥梁健康监测系统。2006年，姜德生等人研制了光纤光栅锚索测力环，并在武汉晴川桥换索施工过程中实时监测索力状况。2010年，法尔胜研制了一种具有特殊减敏结构的新型智能缆索，将光纤光栅应变传感器和温度传感器布置于缆索连接筒内部，实现了索力及温度的实时在线监测。

综上，大型桥梁健康监测系统的发展方向主要集中在传感器的结构优化布设、多参量实时监测、损伤识别的自动诊断、桥梁承载能力和结构可靠性分析等方面。因此，通过理论与试验研究，开发一套能够对桥梁缆索的结构应力和温湿度等多参数实时监测的系统，实现传感器小型化布设，并进行桥梁缆索的安全评级和健康自动诊断。

2 光纤光栅传感器

本文是基于光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感技术来测量桥梁缆索索力和温湿度值。光纤光栅波长的变化与应变成线性关系，根据这一特点，设计出缆索内置使用的光纤光栅应变传感器、索力传感器实物图，如图1所示。光纤光栅温度传感器是利用热涨冷缩效应对Bragg光栅伸缩变化的关系设计的。光纤光栅湿度传感器是利用含氟聚酰亚胺薄膜及光纤光栅二者的优点，把聚酰亚胺涂覆于光纤光栅表面，根据含氟聚酰亚胺吸湿和脱湿过程的膨胀或收缩，使得光纤光栅产生轴向变形，从而间接测量出环境湿度变化，温湿度传感器实物图，如图2所示。

图1 光纤光栅索力传感器

图2 光纤光栅温湿度传感器

3 光纤光栅传感器测试

先对制备好的光纤光栅温湿度传感器进行湿度测量，将湿度发生器的温度固定在20℃，在20%～90%RH湿度范围内，每隔10%的湿度记录一次实验数据，每次测量前，恒定时间为30分钟，使其处于稳定的工作环境，减小实验误差，提高实验数据的可靠性，并重复以上步骤3次。相对湿度增加过程的实测波长变化，如图3所示。随着相对湿度增加，波长逐渐增大。

图3 不同湿度下的波长变化

实测得到的误差值最大为2.8%RH，三次测量的误差平均值分别为1.3%RH、1.5%RH和1.7%RH。

测量完传感器的湿度后，对其进行温度响应测量。将测试环境的湿度固定在25%RH，为避免温度过高引起水分蒸发，从-30℃开始到80℃，每隔10℃进行一次数据记录，并重复3次。如图4所示，随着环境温度的上升，传感器的波长值也随之增大，且重复性很好。

图4 不同温度下的波长变化

温度的实测温度和计算温度的误差值最大为0.32℃，三次测试的平均误差值分别为0.13℃、0.10℃和0.14℃。

最后，将光纤光栅索力传感器与缆索钢丝通过夹具进行有效的连接，从而钢丝的受力有效地传递到光纤光栅上，通过实时监测光纤光栅中心波长的变化，从而监测钢丝的受力情况。实际应用中，通过缆索内钢丝上合适的光纤光栅传感器布置，可实现同时兼顾缆索的整体受力与局部丝受力监测。

经过测试，索力传感器中心波长-力输出关系曲线，如图5所示。

图5 索力传感器荷载波长时程图

由图5可以看出，传感器波长输出变化均能有效表征传感器的受力情况，且线性度、重复性很好。即对于缆索内钢丝的索力测试，将特制的索力传感器用夹具固定在单丝上能满足其索力测试要求。

此外，为了评估钢丝上传感器胶接结构的可靠性，对传感器进行了疲劳试验（按单丝200万次疲劳试验要求试验），通过了5万次、10万次、20万次、50万次和200万次的疲劳试验，且在疲劳测试后传感器与钢丝之间连接仍然可靠。

4 结语

通过在吊索上安装光纤光栅索力传感器、光纤光栅温湿度传感器，应用于大桥吊索健康监测工程，可对索力、温湿度进行多参量实时监测，提高大桥缆索的智能化监测水平。本文提出的光纤光栅索力传感器量程大，可以测量的索力大于桥梁索力的正常范围，且输出的重复性、线性度良好，线性相关大99.9%以上。光纤光栅温湿度传感器测得的温度偏差在±0.3℃的范围内，湿度偏差在±0.7%RH的范围内，测量准确度较高，满足桥梁缆索温度测试的要求。