0 引言

近年來，光纖傳感器技術發(fā)展迅速，相比其他傳統(tǒng)技術，其具有精度高、抗干擾能力強、耐久性好和適用范圍廣等優(yōu)點，其中應用較多的是光纖布拉格光柵（簡稱FBG）傳感器和分布式光纖傳感器。

本文從路面內(nèi)部裂縫和路基沉降變形監(jiān)測兩方面出發(fā)，簡述了兩類光纖傳感器在道路結構內(nèi)部病害監(jiān)測中的應用，分析評價了它們的適用情況，并針對該領域存在的問題進行總結與展望。

1 路面結構內(nèi)部裂縫監(jiān)測

水泥混凝土路面內(nèi)部鋼筋的銹蝕會引起結構的膨脹開裂，從而降低混凝土的安全性能和使用壽命。傳統(tǒng)的超聲波反射等無損檢測方法雖然可以檢測出結構內(nèi)部鋼筋的腐蝕狀態(tài)，但無法反映鋼筋的早期腐蝕及其動態(tài)發(fā)展過程。Hu等開發(fā)了用于鋼筋腐蝕監(jiān)測的Fe-C涂層FBG電化學傳感器，可根據(jù)布拉格波長的偏移量來反映Fe-C層的腐蝕程度及變化情況。Fan等對鋼筋水泥混凝土試件進行了模擬電化學腐蝕試驗，通過纏繞在螺紋鋼筋上的分布式光纖傳感器（簡稱DFOS）記錄了腐蝕過程中鋼筋段膨脹應變的累積情況。試驗結果表明膨脹應變的積累歷程可分為3個階段，與電化學腐蝕過程相對應。通過應變計算出的各位置鋼筋的質(zhì)量損失與體積膨脹量，可用于預測混凝土覆蓋層的開裂。

張睿等研究了光纖傳感器在瀝青路面內(nèi)部裂縫監(jiān)測中的應用，對粘有FBG傳感器的瀝青混合料梁試件進行了分級加載實驗，實驗表明傳感器記錄的應變數(shù)據(jù)可較好地反映梁底裂縫的發(fā)展過程。錢振東等采用布里淵光學時域分析（簡稱BOTDA）分布式光纖傳感技術對鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層疲勞裂縫的發(fā)展規(guī)律進行了研究，利用其監(jiān)測了三點彎曲疲勞試驗中鋪裝結構的裂縫擴展過程，建立了實測響應與裂縫擴展速率的轉換模型。

相對于分布式光纖傳感器，F(xiàn)BG傳感器不易受濕度和pH值等環(huán)境因素的影響，具有高光學功率和可調(diào)激光源的探詢裝置，在感知外界信息時有著更高的靈敏度。此外，由于光纖布拉格光柵固有的波長特性，即便光纖的彎曲變形會造成信號衰減與損耗，傳感器測得的結果仍然能夠保持較高的準確性。因此，F(xiàn)BG傳感器更適合于鋼筋彎起和捆扎等局部關鍵位置處的監(jiān)測。

2 路基變形監(jiān)測

由于地質(zhì)水文和外部荷載等作用的影響，使得部分路基發(fā)生滑移、隆起和沉降等變形，長此以往會導致路面結構產(chǎn)生破裂和塌陷等一系列問題，因此有必要對路基變形進行監(jiān)測。Xu等開發(fā)了一種柔性梁FBG傳感器，利用有限差分與數(shù)值積分法處理梁上多個傳感器的應變數(shù)據(jù)來得到土體的位移，實現(xiàn)了路基邊坡滑動時土壤位移的動態(tài)監(jiān)測。Sun等基于分布式光纖傳感技術開發(fā)了一種信息感知系統(tǒng)，通過收集邊坡應力、溫度和變形等信息來評估邊坡的穩(wěn)定性和滑坡變形的風險。Dong等將脈沖預泵布里淵光學時域分析（簡稱PPP-BOTDA）理論應用于地基沉降監(jiān)測中，通過分布式光纖傳感器中布里淵散射光的頻移來監(jiān)測光纖軸向應變和溫度的變化情況，利用光纖變形量與土體位移的幾何關系推導出路基的隆起或沉陷變形值。該方法可實現(xiàn)應變和溫度的連續(xù)測量，覆蓋范圍和精度都得到了很大的提升。

路基屬于大型基礎結構，其變形和破壞的發(fā)生位置具有很強的隱蔽性和隨機性，F(xiàn)BG等準分布式傳感監(jiān)測方法雖然可以直接獲得變形信息，且具有較高的精度，但需布置大量的傳感器以覆蓋所測范圍，這將導致集成監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生高昂的施工與維護成本，亦會加大數(shù)據(jù)處理難度。而分布式光纖傳感系統(tǒng)可通過串聯(lián)的光纖來實現(xiàn)遠距離大范圍內(nèi)的實時監(jiān)測，經(jīng)一次測量就可以獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)被測量物體振動、應變和溫度等信息。相比之下分布式光纖傳感系統(tǒng)的施工維護相對更簡單，在信息收集方面效率更高，因此更適合于路基的變形沉降監(jiān)測。未來可將分布式光纖傳感系統(tǒng)與光學頻域反射等技術相結合，提高監(jiān)測的空間分辨率和精度。必要時可將分布式光纖布置成縱橫交錯的網(wǎng)狀結構，實現(xiàn)對路基的全方面動態(tài)監(jiān)測。

3 智能傳感技術在實際應用中的問題

從國內(nèi)外大量的應用研究來看，光纖傳感技術應用于道路內(nèi)部病害的監(jiān)測當中是可行的，國外在許多地方進行了現(xiàn)場應用，實現(xiàn)了對部分場合傳統(tǒng)識別監(jiān)測方式的替換。我國的光纖傳感技術雖然有了一定的發(fā)展，但尚未形成在道路工程中的完整應用體系，仍存在一些問題：

（1）傳感設備在安裝與運行過程中不可避免地受高壓、高溫和濕度等的影響，設備可能發(fā)生損壞而失效。這些高精度敏感元件本身不能夠承受復雜的外界作用，因此有必要設計保護外裝置和優(yōu)化施工布設方案，在不過多影響道路結構整體性能的前提下保障傳感元件的長期服役性能。

（2）光纖傳感器的感知結果，能否反映道路結構內(nèi)部病害真實狀況。不同類型的光纖傳感器在運行機制與識別精度上有著較大的差異，在長期使用過程中容易產(chǎn)生大量的噪音數(shù)據(jù)引起誤差累積。因此，有必要升級傳感技術，研究精度更高、更耐久和更抗干擾的光纖傳感設備；在數(shù)據(jù)收集過程中可建立預處理機制，消除過濾掉多余的數(shù)據(jù)噪音；溯源誤差累積傳遞機理，降低誤差并控制其傳播，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

（3）道路結構內(nèi)部裂縫的形成和發(fā)展是一個復雜的長期過程，如何保證傳感設備穩(wěn)定地工作成為了關鍵問題?？蓪⒆?a target="_blank">供電技術與光纖傳感技術相結合，通過收集道路環(huán)境中過剩的機械能、風能和熱能等并加以轉換以實現(xiàn)對光纖傳感設備的供能，從而降低有線供電的生產(chǎn)維護成本。

4 結語

光纖傳感器的選擇和應用應與路面結構的實際行為響應相結合，要根據(jù)道路結構內(nèi)部病害的形成和發(fā)展特性來選擇光纖傳感設備的類型、布置方式及信息反饋處理方式等，從而實現(xiàn)更高效和更精準的感知識別?，F(xiàn)有研究大多采用“室內(nèi)試驗+軟件模擬”的方法來驗證光纖傳感器的實用性，缺乏真實環(huán)境和荷載的作用，因此有必要加大現(xiàn)場實驗研究力度。

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