謝永宏，黃曉燕，蔣波，馮維一，方玄

（江蘇法爾勝光電科技有限公司，江蘇 無錫 214400）

1 前言

懸索橋、斜拉橋和拱橋的纜索是橋梁體的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)，其性能已成為橋梁設(shè)計(jì)、施工、使用期限和安全性能等方面決定性因素。纜索的損傷如不能及時(shí)得到檢測和維護(hù)，往往因腐蝕、風(fēng)振以及車輛通行造成局部疲勞，導(dǎo)致纜索使用壽命縮短甚至斷裂，輕則影響行車安全，重則導(dǎo)致橋梁突然倒塌。因此，隨著國內(nèi)外跨?？缃某笮蜆蛄簩|索性能要求的不斷提升，建立一套針對橋梁纜索的智能在線監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為迫切。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、信號分析與處理技術(shù)及橋梁結(jié)構(gòu)分析理論等多個(gè)領(lǐng)域的知識，提高了預(yù)測評估的可靠性。我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，1997年竣工的香港青馬大橋建立了規(guī)模較大的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。2006年，姜德生等人研制了光纖光柵錨索測力環(huán)，并在武漢晴川橋換索施工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測索力狀況。2010年，法爾勝研制了一種具有特殊減敏結(jié)構(gòu)的新型智能纜索，將光纖光柵應(yīng)變傳感器和溫度傳感器布置于纜索連接筒內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了索力及溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

綜上，大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向主要集中在傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化布設(shè)、多參量實(shí)時(shí)監(jiān)測、損傷識別的自動(dòng)診斷、橋梁承載能力和結(jié)構(gòu)可靠性分析等方面。因此，通過理論與試驗(yàn)研究，開發(fā)一套能夠?qū)蛄豪|索的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和溫濕度等多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器小型化布設(shè)，并進(jìn)行橋梁纜索的安全評級和健康自動(dòng)診斷。

2 光纖光柵傳感器

本文是基于光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感技術(shù)來測量橋梁纜索索力和溫濕度值。光纖光柵波長的變化與應(yīng)變成線性關(guān)系，根據(jù)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出纜索內(nèi)置使用的光纖光柵應(yīng)變傳感器、索力傳感器實(shí)物圖，如圖1所示。光纖光柵溫度傳感器是利用熱漲冷縮效應(yīng)對Bragg光柵伸縮變化的關(guān)系設(shè)計(jì)的。光纖光柵濕度傳感器是利用含氟聚酰亞胺薄膜及光纖光柵二者的優(yōu)點(diǎn)，把聚酰亞胺涂覆于光纖光柵表面，根據(jù)含氟聚酰亞胺吸濕和脫濕過程的膨脹或收縮，使得光纖光柵產(chǎn)生軸向變形，從而間接測量出環(huán)境濕度變化，溫濕度傳感器實(shí)物圖，如圖2所示。

圖1 光纖光柵索力傳感器

圖2 光纖光柵溫濕度傳感器

3 光纖光柵傳感器測試

先對制備好的光纖光柵溫濕度傳感器進(jìn)行濕度測量，將濕度發(fā)生器的溫度固定在20℃，在20%～90%RH濕度范圍內(nèi)，每隔10%的濕度記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每次測量前，恒定時(shí)間為30分鐘，使其處于穩(wěn)定的工作環(huán)境，減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，并重復(fù)以上步驟3次。相對濕度增加過程的實(shí)測波長變化，如圖3所示。隨著相對濕度增加，波長逐漸增大。

圖3 不同濕度下的波長變化

實(shí)測得到的誤差值最大為2.8%RH，三次測量的誤差平均值分別為1.3%RH、1.5%RH和1.7%RH。

測量完傳感器的濕度后，對其進(jìn)行溫度響應(yīng)測量。將測試環(huán)境的濕度固定在25%RH，為避免溫度過高引起水分蒸發(fā)，從-30℃開始到80℃，每隔10℃進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄，并重復(fù)3次。如圖4所示，隨著環(huán)境溫度的上升，傳感器的波長值也隨之增大，且重復(fù)性很好。

圖4 不同溫度下的波長變化

溫度的實(shí)測溫度和計(jì)算溫度的誤差值最大為0.32℃，三次測試的平均誤差值分別為0.13℃、0.10℃和0.14℃。

最后，將光纖光柵索力傳感器與纜索鋼絲通過夾具進(jìn)行有效的連接，從而鋼絲的受力有效地傳遞到光纖光柵上，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測光纖光柵中心波長的變化，從而監(jiān)測鋼絲的受力情況。實(shí)際應(yīng)用中，通過纜索內(nèi)鋼絲上合適的光纖光柵傳感器布置，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)兼顧纜索的整體受力與局部絲受力監(jiān)測。

經(jīng)過測試，索力傳感器中心波長-力輸出關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 索力傳感器荷載波長時(shí)程圖

由圖5可以看出，傳感器波長輸出變化均能有效表征傳感器的受力情況，且線性度、重復(fù)性很好。即對于纜索內(nèi)鋼絲的索力測試，將特制的索力傳感器用夾具固定在單絲上能滿足其索力測試要求。

此外，為了評估鋼絲上傳感器膠接結(jié)構(gòu)的可靠性，對傳感器進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)（按單絲200萬次疲勞試驗(yàn)要求試驗(yàn)），通過了5萬次、10萬次、20萬次、50萬次和200萬次的疲勞試驗(yàn)，且在疲勞測試后傳感器與鋼絲之間連接仍然可靠。

4 結(jié)語

通過在吊索上安裝光纖光柵索力傳感器、光纖光柵溫濕度傳感器，應(yīng)用于大橋吊索健康監(jiān)測工程，可對索力、溫濕度進(jìn)行多參量實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高大橋纜索的智能化監(jiān)測水平。本文提出的光纖光柵索力傳感器量程大，可以測量的索力大于橋梁索力的正常范圍，且輸出的重復(fù)性、線性度良好，線性相關(guān)大99.9%以上。光纖光柵溫濕度傳感器測得的溫度偏差在±0.3℃的范圍內(nèi)，濕度偏差在±0.7%RH的范圍內(nèi)，測量準(zhǔn)確度較高，滿足橋梁纜索溫度測試的要求。