一、引言
橋梁的建造和維護是一個國家基礎設施建設的重要部分。因此，橋梁的安全可靠性成為關系國計民生的一件大事。長期以來，人們對橋梁的安全檢測一直以電檢測方法為主，由于電磁干擾及濕潤腐蝕使得這種方法不能實現(xiàn)長期置放，檢測時需臨時置放大量的傳感器，這樣不僅需要大量的人力和物力，而且需要經(jīng)過專門練習的工程師，同時由于所測結果是瞬時的，不能正確、準時的預告橋梁工作狀態(tài)，所以，所得結果仍然不能滿足現(xiàn)有的安全需要。
從70年代中期至今，光纖傳感技術經(jīng)過20多年時間的飛速發(fā)展已經(jīng)有了長足的進步。它的觸角已涉及到國防軍事、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、生物醫(yī)藥、計量測試和家用電器等各種領域[2～3]。光纖傳感器由于體積?。ㄖ睆絻H為125mm，作為光纖傳感器的長度可短至幾厘米）、重量輕、不導電、反應快、抗腐蝕、不受電磁、射頻及雷電流等干擾影響，以及集傳感與傳輸于一體的獨特優(yōu)點，成為橋梁檢測中的有效方法，把光纖傳感器埋進到橋梁中，丈量橋梁內(nèi)部的應力、應變以及結構損傷，已成為橋梁檢測中的有效的檢測技術。近年來，國內(nèi)外的研究機構投進了大量的人力物力研究光纖傳感技術在橋梁檢測中的應用，并取得了一定的成果。
二、光纖檢測技術的原理
（1）橋梁檢測方法概述
傳統(tǒng)的橋梁檢測方法為電檢測方法，這是一種在橋梁的某個部位上外粘電阻應變片來丈量應變的方法。它所依據(jù)的原理是將應變片組成橋式結構來感應被測體應變的變化，并轉換成需要的電量，以利用應變變化De與應變片的電阻變化DR之間的關系DR=aDe（a為應變率）進行檢測。如我國使用較為廣泛的鞍山電測技術研究所研制的便攜式動態(tài)應變儀DY-3和便攜式超級應變儀YD-88都此種產(chǎn)品。這種丈量方法是以應變-電量為基礎，以電信號為轉換及傳輸?shù)妮d體，用導線傳輸電信號，因而使用時受到環(huán)境的限制，如環(huán)境濕度太大可能引起短路，特別是在高溫順易燃、易爆環(huán)境中輕易引起事故等。
（2）利用光纖進行橋梁檢測的技術原理
光纖傳感技術是利用光纖對某些特定的物理量敏感的特性，將外界物理量轉換成可以直接可丈量的信號的技術。由于光纖不僅可以作為光波的傳播媒質(zhì)，而且光波在光纖中傳播時表征光波的特征參量（振福、相位、偏振態(tài)、波長等）因外界因素（如溫度、壓力、應變、磁場、電場、位移、轉動等）的作用而間接或直接的發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量。這就是光纖傳感器的基本原理。如圖1所示。
圖1 光纖傳感原理示意圖
光纖傳感器可從光纖的作用、信號調(diào)制方式及被測對象等不同角度分類。從光纖作用角度可分為非功能型傳感器和功能型傳感器[5～7]。非功能型傳感器中光纖僅起到傳光的作用；而功能型傳感器中光纖既起到傳光的作用又起到傳感的作用。目前開發(fā)的高精度、高分辨率及結構小型化的傳感器多以功能型傳感器為主。
若從光信號調(diào)制方式角度分類，則有光夸大制型、相位調(diào)制型及偏振調(diào)制型。其中光夸大制型在一般工程丈量中因結構簡單、丈量范圍大而應用較廣。而在對丈量精度要求較高的場所中則采用相位和偏振調(diào)制。隨著科學技術的高速發(fā)展，對傳感器的精度、穩(wěn)定性及小型化的要求越來越高。因此相位調(diào)制型及偏振調(diào)制型傳感器是目前研究和開發(fā)的主要對象。目前應用橋梁檢測中的光纖傳感器主要是相位調(diào)制型。
（3）光纖橋梁檢測法的上風
光纖傳感器是以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體利用光纖傳輸信號。與傳統(tǒng)的橋梁檢測傳感器相比，光纖傳感用具有很多獨特的優(yōu)點：
（1）抗電磁干擾、電盡緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全；
（2）重量輕、體積小、外形可變；
（3）對被測介質(zhì)影響??；
（4）具有極高的靈敏度和分辨率；
（5）便于復用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通訊技術組成遠測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡；
（6）本錢低。
三、國外橋梁檢測中的光纖傳感技術的發(fā)展
1989年美國布朗大學（Brown University）的門德斯（Mendez）[8]等人首先提出了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結構和建筑檢測的可能性。之后，美國、加拿大、英國、德國、日本、瑞士等發(fā)達國家，紛紛將光纖傳感技術應用在橋梁、大壩等大型民用基礎設施的安全監(jiān)測中，取得了令人鼓舞的進展。
加拿大的Rotest公司研制的白光法布里—珀羅光纖傳感器就是其中一例，該公司將這種傳感器用于橋梁結構中的的應力、應變、結構振動、結構損傷程度、裂縫的發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)的檢測，取得較好的測試結果。這種基于白光干涉的光纖傳感器，具有很高的精度和重復性?？砂惭b在材料或建筑物的表面，或埋進其內(nèi)部，連續(xù)地對諸如應變、應力、位移、裂縫、孔隙壓力、溫度等狀況進行監(jiān)測。Fabry-Perot傳感器是在光纖中制造一個真空腔（見圖2），當光束通過傳感光纖進射到腔內(nèi)時，會在真空腔的兩個端面分別反射、并沿原路返回。此真空腔稱為光纖琺珀腔（F-P腔），若進射到F-P腔的光強為I0，進射光束的中心波長為I
0，F(xiàn)-P腔的腔長為L，兩束反射光束相遇干涉后的輸出光強IR近似為
： 假如用光纖把F-P腔與光源及光電探測器連接起來就可構成圖3所示的檢測系統(tǒng)，當把光纖傳感器安裝在被測體上時，被測體的內(nèi)部應變使得光纖F-P腔傳感器的腔長L同步變化，從而改變輸出光強IR。由（1）式可推得F-P腔的腔長乃至被測體的變形量
圖2 用于應變的Fabry-Perot光纖傳感器
圖3 傳感系統(tǒng)原理圖
除Rotest公司之外，世界各國還有多家企業(yè)及實驗室從事這方面的研究。其中加拿大在1993年將光纖傳感器預裝到一座碳纖維預應力混凝土公路橋上，在橋開通后連續(xù)監(jiān)測了八個月，丈量了混凝土內(nèi)部的整體分布應變，并用動態(tài)規(guī)化理論處理數(shù)據(jù)，正確而又快速的評估了橋梁的使用狀態(tài)及壽命；而多倫多大學靈巧結構實驗室的Alavie等人用布喇格光纖光柵傳感器丈量了加拿大Beddington大橋的應力。1996年，美國海軍實驗研究中心研制了新墨西哥州I-10橋健康檢測系統(tǒng)，它由60個FBG（光纖布喇格光柵）傳感器組成，可實現(xiàn)動態(tài)與靜態(tài)應變丈量。1997年，美國的佛絲特-米勒公司也用FBG傳感器完成了俄亥俄州巴特勒縣高速公路橋健康檢測系統(tǒng)。美國的維蒙特大學與美國電光子公司合作研制了用于檢測橋梁、公路腐蝕的光纖腐蝕傳感技術，并在1997年的夏季首次應用在維蒙特市北部的三座橋上，取得了較好的丈量效果。
瑞士的聯(lián)邦技術研究所與瑞士智能結構公司基于準相干光干涉原理開發(fā)出了光纖應變/變形傳感器，傳感頭可方便的埋進混凝土結構的內(nèi)部或固定于任意結構的外部。為了和傳統(tǒng)的電檢測技術比較，智能結構公司于1995年在日內(nèi)瓦四周的一座高速公路橋上同時安裝了光纖傳感器和傳統(tǒng)的應變片、熱電偶應變傳感器。但只有光纖傳感器完成了從施工、竣工檢驗、通車使用整個過程中的混凝土固化的熱收縮應變、負荷試驗、長期應用考驗。
四、國內(nèi)橋梁檢測中的光纖傳感技術的現(xiàn)狀
目前國內(nèi)對橋梁的檢測都是在設計、施工安裝完畢交付使用以后，才對橋梁進行定點的檢測的，采用的方法是電檢測方法，即如前文所述，在梁體某個部位上，外粘應變片。這種方法的局限性較大，費時費力；而且所檢測的數(shù)據(jù)都是某個時間點上的數(shù)據(jù)；同時由于施工質(zhì)量、安裝等因素的影響，與原始設計參數(shù)有著一定的誤差。
從90年代開始，我國就開始了光纖傳感技術的應用研究。清華大學、同濟大學、重慶大學、哈爾濱工程大學等院校已對光纖傳感器應用于橋梁檢測進行了理論研究，并在實驗室中做了樣機實驗，取得了較好的效果。
圖4 用光纖實現(xiàn)的白光麥克爾遜干涉儀
哈爾濱工程大學的苑立波教授依據(jù)白光干涉原理設計了光纖傳感器，與Retest公司不同的是他設計的是如圖4所示的光纖Michelson結構的白光干涉儀，通過比較光程差的方法來間接地丈量傳感器長度隨橋索應力、應變的變化特性。
圖5 雙F-P結構的波長掃描干涉儀
清華大學電子工程系的廖延彪教授建立了一種新的波長干涉儀實驗系統(tǒng)，如圖5所示。系統(tǒng)中采用了波長掃描光源,并用了兩個準直結構的法布里-珀羅干涉儀，一個作為參考干涉儀，另一個作為傳感干涉儀。從而實現(xiàn)了較大范圍的盡對間隔丈量，并放寬了對于光源穩(wěn)定性、掃描重復性的要求，使系統(tǒng)在間隔的長期監(jiān)控丈量方面較現(xiàn)有的其它丈量方法具有更大的上風。
五、結束語
把光纖傳感技術應用到橋梁檢測中給橋梁健康監(jiān)測和安全評價注進了新的活力，國外經(jīng)過近十幾年的研究，已形成了比較成熟的技術，其相關產(chǎn)品由于精度高和實用性強而得到用戶的青睞，但其高昂的價格阻礙了它在中國的應用。因此，在今后的研究中，我們需要從原理、制作工藝等方面著手研制高性能、低價格的傳感器以滿足國內(nèi)的市場需求。
