光纤光栅在结构健康监测中的应用：前沿技术与未来展望

  近年来，随着工程结构对安全性和耐久性要求的不断提高，结构健康监测（SHM）技术成为保障基础设施和高端装备安全运行的重要手段。而光纤光栅（FBG）传感器凭借尺寸小、灵敏度高、抗电磁干扰和便于分布式部署的优点，正逐渐成为各领域监测系统的“宠儿”。本文将从桥梁监测、航空航天及其他领域的应用实例出发，探讨光纤光栅在结构健康监测中的实际应用与未来发展趋势。

光纤光栅技术简介

  光纤光栅是一种内嵌在光纤中的微结构，通过反射特定波长的光来感知环境中温度、应变等参数。其原理基于布拉格衍射，当外部物理量（如应力、温度）发生变化时，反射波长也会随之偏移。由于其灵敏度高和免疫电磁干扰的特点，FBG传感器在许多恶劣或特殊环境下展现出独特优势。

桥梁健康监测的应用实例

  早在20世纪末，光纤光栅就已开始应用于桥梁健康监测，并取得了显著成果。近年来，随着传感技术的不断进步，FBG在桥梁领域的应用更是多元化：

• 混凝土收缩与蠕变测量
  研究人员利用光纤布拉格光栅传感器成功完成了混凝土收缩和蠕变的测量。该方法不仅能监控桥梁的动态响应，还能对桥墩等关键部位的结构状态进行评估。相比传统表面粘贴的电阻应变计，内部嵌入的FBG传感器更耐用，尽管在总应变测量上存在一定差异，但其长期监测能力无疑为工程安全提供了更可靠的保障。

• 悬索桥索力检测
  基于弦振动理论，将振动频率转换为索力的监测方法，实现了对悬索桥索力的间接测量。高灵敏度和良好的重复性使得这种技术已在实际工程中成功检出索力异常，保障了桥梁结构的长期安全运行。

• 桥面垂直位移监测
  针对位移传感器需要固定参考点的限制，研究者设计了基于光纤光栅的差分沉降传感系统。该系统无需依赖固定地面参考，能够精确测量桥梁的垂直位移，其测量误差低至不到1%，为桥梁承载能力评估提供了高精度数据。

• 大跨悬臂桥挠度监测
  利用基于“摆式等强度梁”的光纤光栅倾角传感器，通过倾角变化间接测量大跨度悬臂桥的挠度，不仅简化了施工期复杂的监测流程，还实现了实时数据采集，解决了传统监测方法布线困难和数据延迟的问题。

航空航天领域的应用探索

  光纤光栅传感器在航空航天领域也显示出巨大潜力：

• 飞机机翼形变监测
  通过在机翼表面附着FBG传感器，可以实时捕捉机翼形变和应变情况。研究者利用有限元模型对实验数据进行了验证，结果表明其误差控制在5%以内，这为机翼的安全部署和有效运行提供了有力保障。

• 嵌入式机翼载荷监测系统
  采用嵌入式光纤光栅传感器，可实现对机翼内部应变分布和飞行参数的实时监测。该技术不仅能长期监控结构内部目标参数，还满足了高精度、分布式测量的要求，相比传统传感方式更加适合复杂航空结构的健康监测。

• 起落架应力监测与传感网络构建
  将多个光纤光栅组成传感网络，并嵌入飞机起落架或其他关键部位，可进行远程、实时载荷测量。实验结果与数值模拟吻合良好，展现出在航空结构监测中的应用前景。

挑战与未来展望

  尽管光纤光栅传感器在各领域展现出广泛应用前景，但在实际工程推广中仍面临一些挑战：

• 传感器耐久性与长期稳定性
  在大规模、长期监测中，如何保证FBG传感器在复杂环境下的耐久性和数据准确性仍需进一步研究。

• 高性能解调设备
  实时、精确的信号解调设备是实现高密度、高精度监测的关键，未来的研究方向之一就是开发更高性能的解调仪器。

• 统一监测标准与规程
  目前各类应用系统的设计标准和监测规程尚不统一，建立行业标准将有助于推动FBG技术在全球范围内的普及和应用。

• 智能化与多参数融合
  随着物联网和大数据分析的发展，未来光纤光栅传感系统将更加注重与智能化技术的结合，实现多参数融合监测，提高结构健康评估的准确性和实时性。

结语

  光纤光栅作为一种高灵敏度、抗干扰、便于大面积布置的传感技术，已在桥梁、飞机及航天器等多个领域展示了其独特优势。随着传感技术、数据处理和智能化分析的不断进步，未来FBG传感器将在结构健康监测领域扮演更加重要的角色，为基础设施和高端装备的安全运行提供坚实保障。