傳感器在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛，其發(fā)展于20世紀(jì)70年代，以光纖為媒介、波長(zhǎng)變量為輸出量，在土木工程領(lǐng)域，光纖傳感器可測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)、橋梁健康狀況等，多作為應(yīng)變傳感器使用，如上海中心大廈施工中，將傳感器預(yù)埋進(jìn)混凝土剪力墻，監(jiān)測(cè)水泥水化微應(yīng)變，降低裂縫發(fā)生率，超高層建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，光纖光柵傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是重要技術(shù)手段，能提供精確、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，助工程師評(píng)估建筑物安全性與健康狀況，還可通過布置在建筑物內(nèi)外的光纖傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位移、變形和結(jié)構(gòu)變化，

一、光纖傳感器監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的原理

光纖傳感器用于監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)是基于光纖光柵的特性。光纖光柵是一種特殊的光纖元件，能夠在特定波長(zhǎng)反射光線，形成布拉格散射。當(dāng)光纖受到應(yīng)力、溫度變化時(shí)，光柵周期發(fā)生變化，導(dǎo)致反射波長(zhǎng)偏移，這一現(xiàn)象稱為光纖光柵的波長(zhǎng)敏感特性。通過監(jiān)測(cè)這種波長(zhǎng)偏移，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度等物理量的精確測(cè)量，進(jìn)而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

二、光纖傳感器監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

• 高精度與穩(wěn)定性：光纖光柵傳感器能提供微應(yīng)變級(jí)別的測(cè)量精度，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠，這對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)來說非常關(guān)鍵，能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)微小的變化情況。
• 分布式監(jiān)測(cè)：一根光纖可嵌入數(shù)百至數(shù)千個(gè)光纖光柵傳感器，實(shí)現(xiàn)大面積、多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)。在大型建筑結(jié)構(gòu)中，可以在多個(gè)關(guān)鍵部位設(shè)置傳感器，全面掌握結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
• 抗惡劣環(huán)境：不受電磁干擾影響，適合在復(fù)雜、惡劣環(huán)境下工作，如建筑施工現(xiàn)場(chǎng)可能存在的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，以及高溫、腐蝕性環(huán)境等，并且光纖材料的本征特性決定了其使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。

三、光纖傳感器在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

（一）應(yīng)變監(jiān)測(cè)

• 對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形和變化評(píng)估具有重要意義。通過將光纖光柵傳感器安裝在建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，如梁、柱等部位，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的過度變形等問題。

（二）溫度監(jiān)測(cè)

• 建筑結(jié)構(gòu)在不同季節(jié)和環(huán)境下會(huì)經(jīng)歷溫度變化，光纖光柵傳感器可以對(duì)結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常溫度變化，并提供溫度梯度信息，以保證結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行。例如在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，監(jiān)測(cè)溫度變化可防止因溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫等問題。

（三）振動(dòng)監(jiān)測(cè)

• 通過監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況，光纖光柵傳感器可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和自然頻率，幫助檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷和疲勞狀況，避免潛在的風(fēng)險(xiǎn)。比如在高層或超高層建筑中，對(duì)風(fēng)荷載等引起的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

四、實(shí)際案例

• 港珠澳大橋：在其建設(shè)與運(yùn)維中采用了光纖光柵傳感系統(tǒng)，對(duì)橋梁的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。橋梁作為一種特殊的建筑結(jié)構(gòu)，其監(jiān)測(cè)的成功案例也體現(xiàn)了光纖傳感器在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的有效性。
• 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)：光纖光柵傳感器被用于跑道、航站樓等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，確保能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并評(píng)估潛在的結(jié)構(gòu)問題。機(jī)場(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對(duì)安全性要求極高，光纖傳感器在此發(fā)揮了重要的監(jiān)測(cè)作用。
• 上海中心大廈：作為超高層地標(biāo)建筑，其結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。項(xiàng)目采用了光纖光柵傳感技術(shù)構(gòu)建了一套全面的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在大廈的關(guān)鍵部位，如基礎(chǔ)、核心筒、外立面連接處等布置了數(shù)百個(gè)光纖光柵傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移及溫度變化情況。在臺(tái)風(fēng)期間，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功捕捉到了大廈在極端風(fēng)力作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供了寶貴數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了大廈設(shè)計(jì)的合理性和安全性，也展示了光纖光柵傳感技術(shù)在超高層建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的有效應(yīng)用。

光纖傳感器在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

光纖傳感器監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的局限性

光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器對(duì)比

光纖傳感器在極端天氣下的表現(xiàn)