土木工程检测新技术.doc

土木工程监测新技术 【摘 要】土木工程监测是土木工程结构研究、设计、施工，以及工程安全鉴定、评估中的重要环节。随着土木、材料、测量、计算机网络等技术的发展，传统监测方法的局限性变得日益明显，难以满足土木工程技术进一步发展的需要。在计算机网络技术和新型材料科学的发展的促进下，由此产生了一些新的结构健康监测技术。文章主要介绍了几项当前被广泛研究和关注的新技术，包括光纤光缆传感器技术及压电抗阻法技术。 【关键词】结构健康监测新技术；新型材料；光纤光栅传感器；压电阻抗法 0. 引言 结构的健康监测( Structural Health Monitoring, 简称SHM) 指利用现场的无损传感技术,通过包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到检测结构损伤或退化的目的。结构健康监测的过程通过一系列传感器得到系统定时取样的动力和静力响应测量值,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。任何土木结构都会由于材料本身老化、过度使用、环境侵蚀、缺乏维护等因素的影响而失效，有效的土木工程结构健康监测系统能够实时地诊断出缺陷（裂纹，锈蚀等）的位置和程度，使结构能得到及时的修复和加固，以确保结构的可靠性建国60年来，我国结构检测技术经历了从无到有、从单项到全面、从局部到整体的发展过程，检测的技术手段也日益发展，种类繁多， 传统的结构试验和检测方法基本满足了结构工程科研和生产应用的需求，但随着科学技术的进一步发展，特别是计算机网络技术和新型材料科学的发展，必然会对结构工程提出了精确化、智能化、网络化等要求，此时传统的检测方法已经无法满足工程技术发展的要求，由此产生了一些新的检测技术 1．光纤光栅传感器.1 光纤光栅传感器的结构及工作原理 光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率, 产生小的周期性调制而形成的, 其折射率变化通常在10- 5～10- 3 之间, 通过紫外光曝光的方法将入射光的相干场图形写入纤芯, 在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化, 从而形成永久性空间的相位光栅, 其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。光纤芯中的折射率调制周期Λ由下式给出:Λ=λuv/2 sin ( θ/2) , 式中λuv 是紫外光源波长, θ 是2相干光束之间的夹角。 光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。光敏性是指激光通过掺杂光纤时, 光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅, 其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射) 滤波器或反射镜。利用光纤材料的光敏性, 通过紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅, 当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时, 在光栅处有选择地反射回一个窄带光, 其余宽带光继续透射过去, 在下一个具有不同中心波长的光纤光栅处反射。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变等物理量发生变化时, 光栅周期或纤芯折射率随之发生变化, 使反射光波长发生变化, 通过测量变化前后反射光波长的变化, 就可以获得待测物理量的变化情况。 .2 光纤光栅传感器的应用特点 光纤光栅传感器作为一种新型光纤传感器, 对大多数物理量直接感应, 可同时感应温度和应变, 还可以进行多个物理量的同时测量, 其应用领域非常广泛。同时FBG 传感器阵列可以实现分布式的传感网络, 对物体进行多点测量, 提取相关的信号, 进行状态分析, 达到示警以及故障诊断的目的。其主要技术应用优势包括: ( 1) 可靠性好、测量精度高, 单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量, 其测量点多, 测量范围大; ( 2) 抗电磁干扰能力强; ( 3) 光纤光栅是无源传感器,不受电磁场的影响,也不发热,特别适于电磁场强烈的环境; ( 4) 光纤光栅的材料是非金属材料耐腐蚀能力强; ( 5) 光纤光栅传感器调制的是波长信号不存在随着高智能传感材料和传感器解调技术的发展, 光纤光栅传感器系统的成本将降低, 而光纤光栅传感器由于其具有很多的技术优势, 因而是土木工程领域研究的热点。目前在国内外都有光纤光栅传感器应用工程的成功案例, 并且证实监测结果比较理想。目前, 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。 .3.1 国内应用案例 (1) 南京长江第三大桥施工监测 南京三桥深水基础施工监测项目中共布设了397 个光纤光栅应变和温度传感器, 是目前国际上施工控制中布设光纤光栅应变和温度传感器最多的桥梁。该监测项目将光纤光栅温度传感器应用于南京三桥承台大体积混凝土温度场监测中取得了良好的控制效果, 带来了显著的社会和经济效益, 具有重要的推广应用价值。 (2) 哈尔滨四方台松花江大桥 该监测项目在桥上共布设了60 只光纤光栅传感器。历经近3 年的考验, 光纤光栅应变和温度传感器的成活率达