光纤传感技术在土木结构工程中的应用和未来发展前景

1970年，光纤作为光波信息传输的媒介被首次发明，并迅速进入高速发展阶段。光纤具有低损耗、高速度、抗干扰和低成本等优点。随着光纤在各行业的应用，光纤传感技术在桥梁检测、隧道安全监测等领域的应用已经取得了显著的成果。通过使用光纤传感技术，可以实时监测道路、桥梁和隧道的结构质量、实际状况，从而及时了解其质量和使用性能。这尤其是对于道路监测、桥梁结构的质检、改扩建等相关土木工程工作都有很大的帮助。

小编通过请教武汉理工大学光纤传感技术与网络国家工程研究中心教授 ，武汉理工大学硕士生导师，武理加固检测（武汉）有限公司创始人符晶华博士，深入地分析了目前光纤传感器类型及特点，通过回顾国内外土木结构中光纤传感系统相关应用，对光纤传感技术应用于土木结构的发展前景进行相关的分析。

一、光纤传感技术在土木工程检测中有常见的应用领域：

1.土木工程结构健康监测：光纤传感技术可以用于监测土木结构的健康状况，例如道路、桥梁、隧道、建筑物等。通过将光纤传感器嵌入结构中，可以实时监测结构的应变、温度、振动等参数，以及检测结构是否存在裂缝、变形等问题。

 (光纤传感技术在桥梁检测的应用)

符教授特别指出，土木工程结构及重大基础设施设计通常都需要较长的基准期，使用较为恶劣的环境，因此在应用过程中，受疲劳效应、环境荷载及老化的腐蚀材料等因素的不利影响，结构将难免受到积累损伤与衰减抗力，严重的还将引发灾难性突发事故。为此，需要土木工程结构具有示警或对失事进行感知的智能功能，进而在失事前利用感知系统对结构内部状态变化进行感知，以便及时作出预警或自动加固结构及修复，以及时修复结构中潜在问题。如同人骨折后，将骨缝对好，断骨结合将自愈合的功能。

2.地下管道监测：光纤传感技术可以用于监测地下管道的泄漏、变形等问题。通过将光纤传感器埋入地下管道中，可以实时监测管道的温度、压力、应变等参数，以及检测管道是否存在泄漏、破裂等问题。

3.地基和土壤监测：光纤传感技术可以用于监测地基和土壤的变形、稳定性等问题。通过将光纤传感器埋入地基和土壤中，可以实时监测地基和土壤的应变、温度、湿度等参数，以及检测地基和土壤是否存在沉降、滑动等问题。

4.水文监测：光纤传感技术可以用于监测水文参数，例如水位、流速、水质等。通过将光纤传感器嵌入水体中，可以实时监测水文参数的变化，以及检测水体是否存在污染、漏水等问题。

二、光纤传感技术在土木结构工程中案例

1989 年，在美国州际公路桥上将光纤振动传感器粘贴路桥结构上用于对桥共振频率的检测；

1992年，德国一城市将光纤传感器埋入桥梁上下表面用于对桥梁应变、裂缝及腐蚀情况的检测，从而对桥梁安全状况进行评估；

1994年，德国在柏林市区将光纤干涉应变传感器粘贴在一桥梁的钢筋上，用来对钢筋在车辆通过时发生变形和振动情况的测量；之后，又建成第一座采用预应力碳纤维复合材料和钢筋结构的桥梁，将光纤布拉格光栅应变传感器加入碳纤维中，用于对损失碳纤维预应力的检测。

美国曾将约6.5公里长的光纤埋入水电大坝中，用于对水坝振动、坝面水压力和流速的检测。充分利用互联网资源共享功能，任一国家都充分利用大坝光纤传感系统数据文件，对水坝安全状态等开展深入探讨，这都可能是未来土木工程结构状态信息处理的发展趋势。

下面是小编根据符教授谈及光纤传感技术在实现“智慧道路”方案时整理的相关实施过程的内容：

 

1.光纤传感布置：在道路中埋设光纤传感器网络，可以选择将光纤传感器直接埋设在道路下方或者将其嵌入到道路材料中。

2.数据采集和传输：光纤传感器可以实时采集道路的各种参数，例如温度、湿度、压力、应变等。采集到的数据通过光纤传输到数据中心或者监测中心。

3.数据分析和处理：在数据中心或者监测中心，对采集到的数据进行分析和处理。可以利用数据分析算法和模型，对道路的状况进行评估和预测，例如预测道路的承载能力、检测道路的变形和裂缝等。

4.实时监测和告警：通过光纤传感技术，可以实时监测道路的状况，并根据设定的阈值进行告警。例如，当道路出现严重的变形或者裂缝时，系统可以自动发出告警信号，以便及时采取修复措施。

5.远程控制和管理：通过与其他智能设备和系统的集成，可以实现对道路的远程控制和管理。例如，可以根据交通流量和道路状况，自动调整交通信号灯的配时，优化交通流动性。

综上所述，通过光纤传感技术实现“智慧道路”可以提供实时、准确的道路监测数据，帮助交通管理部门和工程师及时发现和解决问题，提高道路的安全性和效率。

 

“智慧道路”监测系统结构框图

三、土木工程结构中光纤传感技术的发展前景

总之，光纤传感技术在土木工程检测中的应用可以提供实时、准确的监测数据，帮助工程师和监测人员及时发现和解决问题，提高土木工程的安全性和可靠性。随着光纤传感技术的不断发展，其应用范围和监测能力将进一步提升。未来，光纤传感技术有望实现更高的精度和更长的监测距离，同时还可以与其他传感技术相结合，实现多参数、多层次的结构监测。如将光纤传感元件及形状记忆合金等驱动元件埋入传统土木工程结构中，用以测量结构强度、损伤、变形及施工质量，并结合信息处理系统，使土木工程结构实现智能功能，可对结构信息自动采集及分析处理，进而使土木工程结构具有自检测、自适应、自诊断、自修复等功能。这将为土木工程结构的安全监测提供更加智能可靠和全面的手段。

主要参考资料：卢哲安,符晶华,张全林.光纤传感器用于土木工程检测的研究 --关键技术及实现途径[J].武汉理工大学学报.2001,(8).DOI:10.3321/j.issn:1671-4431.2001.08.012.

文章来源：武理加固检测