光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用
2015-09-14
0 引言
重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向（欧进萍，2005）。
然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展, 高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤光栅传感器的优点主要表现为：耐久性好，适于长期监测；_____无火花，适于特殊监测领域；既可以实现点测量，也可以实现准分布式测量；测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；检出量是波长信息，因此不受接头损失、光沿程损失等因素的影响；对环境干扰不敏感，抗电磁干扰；波长编码，可以方便实现绝对测量；单根光纤单端检测，可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数；信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；光纤光栅尺寸小，测量值空间分辨率高；输出线性范围宽，在量程范围内波长移动与应变有良好的线性关系；频带宽，信噪比高等。正是这些突出优点，光纤光栅传感器受到土木工程领域的广泛关注与青睐。
本文重点介绍了作者及其课题组和产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其重大工程应用。最后，介绍了作者在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。
1 光纤光栅传感器的发展
光纤光栅是一种新型的光子器件，它可以控制光在光纤中的传播行为。光纤光栅的研究与发展归功于
1978 年加拿大的Hill（1978）等人在实验室中制作的世界上第一根光纤光栅，以及1989 年美国的Meltz
1 资助项目：国家自然科学基金（50308008，50410133）；863计划项目（2002AA3131110）；中国博士后基金
等人发明的紫外侧写入技术。随后，1993年Hill与Lemaire分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技
术。这两项技术相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本与容易程度，从而在世界各地掀起了基于光纤光
栅应用研究的热潮。自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感研究以来（Morey，
1989），世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的10 多年时间里光纤光栅已成为传感
领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如土木工程、油田、航空航天、复合材料、高压
输电线、医学、核电站、消防等领域(Rao, 1999; Tennyson et al, 2000; Ou & Zhou, 2002, 2003,2004,2005)。
目前，国内的清华大学、重庆大学、南开大学、武汉理工大学、北京交通大学、香港理工大学、哈尔滨工
业大学等单位对光纤光栅传感器的应用研究非常重视，投入了大量的人力和物力，得到了系列研究成果，
并已经在一些重点示范工程上得到了应用。
迄今为止，光纤光栅无论在技术成熟度，还是成本上都已经取得了实质的突破，将其应用到量大面广
的土木工程已经成为现实。很多光电领域的专家学者对光纤光栅的传感特性以及诸多领域的应用作了很多
尝试，取得了较好的成果。但是，目前普遍存在一个问题：光纤光栅传感器的开发者因为缺少应用领越的
专门知识，研究开发的“专业”传感器无法胜任实际的工程需要，而应用领域的工程师们缺少光纤光栅传
感的专门知识，即使清楚自己的测试需要，仍难以协调与指导传感器的研究开发，从而导致了供给与需求
的严重脱节。哈尔滨工业大学及其相关产业化企业针对重大土木工程结构健康监测对耐久性传感器的迫切
需求，发挥多学科交叉的优势，突破传统胶粘剂封装光纤光栅应变传感器和布设工艺耐久性的不足，通过
对光纤光栅应变传感器的应变传感物理机理、应变传感的界面传递机理、封装光纤光栅传感器的蠕变特性
等方面进行了较系统研究，提出了基于误差的应变传感器设计的优化方法，并开发出系列高性能的光纤光
栅直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品以及相应的结构健康监测的光纤光栅传感网络与
集成系统，并应用于诸多重大桥梁工程。下面就其主要研究与开发成果作一介绍。
2 光纤光栅系列直接传感器
2.1 光纤光栅直接应变传感器
目前，裸光纤光栅的传感特性已经比较清楚，可以直接应用于应变与温度传感，但是由于裸光纤光栅
特别纤细、外径约为125微米、主要成分是SiO2，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接将其作为传
感器无法胜任土木工程粗放式施工，如混凝土的浇注、钢结构的吊装以及恶劣的服役环境等。因此，对裸
光纤光栅进行二次开发，即封装或增敏处理，是将光纤光栅在土木工程领域推广应用的一个重要环节。光
纤光栅直接传感器的封装需要解决“结合”问题，高分子胶粘剂是解决“结合”问题的最直接的手段，然
而高分子胶粘剂“短命”的蠕变、老化等性能严重地制约了光纤光栅传感器耐久性能的发挥，光纤光栅的
高耐久性封装与无胶布设技术是光纤光栅在土木工程大规模应用的瓶颈技术之一。针对重大土木工程结构
健康监测对耐久性传感器的迫切需求，突破传统胶粘剂封装光纤光栅应变传感器和布设工艺耐久性的不
足，哈尔滨工业大学发挥交叉学科的优势，针对土木工程结构长期监测的需要，开发出了系列高耐久性光
纤光栅直接传感器产品，即高性能光纤光栅应变传感器。限于篇幅，这里主要介绍几种有代表性的传感器，
如有兴趣，可以参看网页信息www.tider.com.cn。此外，考虑研制开发光纤光栅应变传感器的需要，还专
门开发了多功能标定装置。
2.1.1 高耐久性FRP 封装埋入式光纤光栅应变传感器
本产品采用高耐久性的CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）或GFRP（Glass Fiber Reinforced
Polymer）封装技术研制开发而成，整个传感头部分没有耐久性制约的部件，完全克服了传统用胶粘剂开发
光纤光栅封装应变传感器不可跨越的耐久性问题。此外，FRP自身的线弹性本构特性充分保证了传感器在
量程范围内的线性度特性。该传感器具有工程布设简单、量程大（5000me以上，最大可达10000me）、耐久
性好、精度高、误差修正系数小等突出优点，特别适于混凝土结构内部应变的测试，可用于桥梁、建筑、
水工等土木工程结构的施工、竣工试验和运营监测的应变传感器。产品照片与性能曲线如图1 和图2 所示。
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
Δλ /λ
με
CB-FBG-CE-100型2号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图 1 CFRP封装型光纤光栅应变传感器
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
y=7.88E-7x+1.127E-5
relative wavelength change
strain
increased cycle1
b）传感器典型性能曲线
图 2 GFRP封装型光纤光栅应变传感器
该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距，尤其适合大应变的较大范围监测，并可以用来监测混
凝土结构的内部裂纹信息。该传感器的主要性能指标：量程大于5000 me；测试精度2～3 me（取决于解
调仪）；重复性误差小于0.6％ ；线性度误差小于0.9％ ；灵敏度系数为7.7~8.0E-7（1.18~1.2me /pm）( 具
体参见标定系数)；迟滞小于0.5%；在1000 微应变下循环100000 次性能没有变化；耐腐蚀环境，在工作
温度35 摄氏度，盐雾为3.5%NaCl溶液的盐雾箱试验4 个月没有性能变化。
2.1.2 高耐久性端部扩径FRP 封装光纤光栅应变传感器
考虑实际土木工程内部应变测试的协同工作要求，本产品的核心特征为在上述FRP封装传感器的基础
上进行端部扩径，其主要性能指标基本操持一致。产品照片与典型性能曲线如图3所示。
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
△ λ/λ= -5.755×10－5+8.340×10－7×ε
△ λ/λ
ε（ με）
CB-FGB-EGE-100型1号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图 3 高耐久性端部扩径FRP封装光纤光栅应变传感器
2.1.3 高耐久性焊接式光纤光栅应变传感器
本产品采用了FRP无胶封装技术，克服了传统用胶粘结开发光纤光栅传感器不可跨越的耐久性问题，
可以根据要求任意改变标距长度，最小可达1～2cm，具有工程布设简单、可拆换、量程大、耐久性好、
布线方便、精度高等突出优点，可以用于钢结构表面应变监测，采用预埋件或铆钉也可用于混凝土表面应
变测试，可用作桥梁、建筑、水工等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面应变传感器。产品如
图与标定曲线4 所示。其主要性能指标: 量程大于5000me；精度为1～2 me；迟滞系数小于 0.5% FS；重
复性小于1.0%FS；灵敏度系数为：7.8 x10-7me-1 ；线性度系数小于 0.5％FS。
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
△ λ/λ= 6.4278×10－6+7.592×10－7×ε
△ λ/λ
ε（ με）
CB-FGB-CW-40型1号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图 4 高耐久性焊接式光纤光栅应变传感器
2.1.4 高耐久性长标距埋入式FRP 封装的光纤光栅应变传感器
考虑土木工程结构大范围内的平均应变测试需要，课题组采用FRP 筋的端部锚固技术，开发出了高耐
久性长标距埋入式FRP 封装的光纤光栅应变传感器。该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距，尤其
适合大应变的较大范围监测，并可以用来监测混凝土结构的内部裂纹信息。其主要性能指标为：量程大于
5000m e；分辨率1m e；迟滞系数小于0.3%；重复性系数小于0.4%；灵敏度系数为7.8x10-7m e－1 ；线性度
系数为：≤0.4%。传感器如图5 所示。
a）传感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
△ λ/λ= -2.318×10－6+7.67×10－7×ε
△ λ/λ
ε（ με）
CB-FBG-GE-500型2号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图 5 高耐久性长标准埋入式光纤光栅应变传感器
2.2 无外力影响光纤光栅直接温度传感器
由于光纤光栅具有应变与温度的交叉敏感特性，而光纤光栅温度传感器在工程施工与服役过程中难以
避免地受到尾纤的拉扯作用，这样就会导致光纤光栅温度传感器的“失真”, 从而导致测试误差。因此开
发无外力影响的光纤光栅温度传感器对工程应用意义重大。为了解决这个问题，针对原型和增敏两种情况
分别提出无外力影响的新型封装方法，有效地阻止了外力对光纤光栅的影响。填充热的良导体后的传感器
对温度的感知速率获得提高，而灵敏度和线性度未受影响；当温度不变时，传感器两端受到80N 的外力作
用时，波长读数不产生变化，达到了无外力影响的封装效果。该工艺为光纤光栅封装温度传感器服役于传
输线路可能受力的环境提供了基础。为此，课题组开发了无外力影响的原型封装光纤光栅温度传感器和无
外力影响增敏封装光纤光栅温度传感器。本产品特别适于不宜采用电学量温度传感器的温度场，可用于电
站、输电线、埋地管线、土木结构施工监测、竣工试验和运营监测等的温度监测。
2.2.1 无外力影响的原型封装光纤光栅温度传感器
本产品采用外力屏蔽方法研制开发而成，其内嵌热良导体，具有传热快、不受外力影响、保持分布式
传感能力、耐久性好、可靠性好等优点。本产品特别适于不宜采用电学量温度传感器的温度场，可用于电
站、输电线、埋地管线、土木结构施工监测、竣工试验和运营监测等的温度监测。同时，它还可以用作光
纤光栅应变敏感元件的温度补偿器件。传感器照片与性能曲线如图6 所示。其主要性能指标为：量程为－
100～150℃；承受外力能力最大受力大于60N；测试精度：小于±0.1℃，（由解调仪决定）；重复性小于
1%； 线性度小于1 % ；迟滞小于1 % 。
a）传感器照片
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
-0.0001
0.0000
0.0001
0.0002
0.0003
0.0004
0.0005
0.0006
0.0007
0.0008
△ λ/λ=3.458*10 -4+6.288*10-6T
△ λ/λ
T(℃)
CW-FBG-Y-01型1号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图6 无外力影响原型封装光纤光栅温度传感器
2.2.2 无外力影响增敏封装光纤光栅温度传感器
本产品与上述原型封装方法基本类似，不同之处就是预先将光纤光栅封装到高膨胀系数的金属材料
上，然后采用采用外力屏蔽方法研制开发而成。传感器照片与性能曲线如图7 所示，其主要性能指标为：
量程为－100～150℃；承受外力能力最大受力大于60N；测试精度：小于±0.1℃，（由解调仪决定）；重复
性小于2%FS； 线性度小于3% FS；迟滞小于1% 。
a）传感器照片
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
△ λ/λ=8.066*10-4+1.846*10-5T
△ λ/λ
T(℃)
CW-FBG-Z-01型2号
实测
拟合
b）传感器典型性能曲线
图7 无外力影响增敏封装光纤光栅温度传感器
2.3 高耐久性封装光纤光栅钢筋计
本产品采用隔离封装技术，制作的应变传感器对钢筋受力没有加强作用，可以准确测得钢筋混凝土结
构中钢筋的平均应变，具有布设方便、性能稳定、串连成网、测试准确、精度高、便于长期监测等优点，
适于测量钢筋混凝土结构内部钢筋的应变。产品及标定性能特性如图8 所示。其主要技术指标与裸光纤光
栅基本一致。
0 100 200 300 400 500
1554.0
1554.1
1554.2
1554.3
1554.4
1554.5
1554.6
1554.7
波长（nm）
应变(με）
l＝1554.093＋0.0012 e
R＝0.99982
实测
拟合
图 8 高耐久性封装光纤光栅钢筋计
2.4 光纤光栅应变传感器标定装置
考虑多种类型的光纤光栅传感器标定需要，哈尔滨工业大学研制开发了便于对各种类型光纤光栅封装
应变传感器标定的多功能专门仪器，如图9 所示。本装置可以配置相应的高精度参考位移测试装置，如光
栅尺、千分表、高精度电阻应变计等，使用非常方便。
图 9 光纤光栅应变传感标定装置
3 光纤光栅间接传感器
考虑重大桥梁结构健康监测的实际需要，作者利用光纤光栅敏感元件开发出了针对性很强的高耐久性
光纤光栅间接传感器，如光纤光栅裂缝计（大应变计）、光纤光栅位移传感器、光纤光栅冰压力传感器、
光纤光栅拉索压力环等传感装置，为大型桥梁结构长期健康监测系统的提供了条件。
3.1 光纤光栅大应变传感器（裂缝计）
图10 光纤光栅大应变传感器（裂缝计）
裸光纤光栅自身的变形能力非常有限，极限应变约为3000～5000me，因此它不能胜任实际工程的大应
变监测需要，尤其不能胜任裂缝信息的监测。鉴于此作者采用减敏措施，开发出了量程可达100000me的光
纤光栅大应变传感器，可以直接用于小于20mm的裂缝监测，精度可达0.002mm，适于混凝土表面和钢结
构表面的裂纹信息监测。产品如图10 所示。
3.2 光纤光栅位移传感器（挠度计）
考虑大型桥梁结构健康监测对位移（或大裂纹）信息监测的需要，开发出探杆式光纤光栅位移传感器，
其最大量程可调（一般为10～20cm），精度可达0.01mm。光纤光栅位移传感器如图11 所示。该传感器具
有安装方便、线性度和重复性好、精度较高、成本低等优点。
图11 光纤光栅位移传感器
3.3 光纤光栅冰压力传感器
冰压力是高纬度地区跨海、跨江大跨度桥梁冬季的重要荷载之一，其监测信息是用来分析该类结构的
疲劳累积、完整性和安全评价的直接信息。此外，冰压力数据是该类结构设计的重要参数。然而，传统的
基于电阻应变计开发的冰压力传感装置在稳定性与耐久性上遇到难以跨越的难题。作者基于双光纤光栅应
变测量原理，考虑冰压力测试装置的环境条件，设计开发出了冰压力传感装置。该传感装置具有温度自补
偿、测量值与荷载作用点无关、线性度和重复性好、精度较高等优点，适合海洋平台冰压力测试。产品如
图12 所示。
图 12 光纤光栅冰压力传感器外观图
3.4 光纤光栅拉索压力环
拉索的整体索力是索桥结构健康监测与安全评定的重要信息。目前已经发展起来的索力监测技术主要
有5 种，即压力表法、压力传感器法、频率法、磁通量法等技术。这些技术尚不能满足长期结构健康监测
的耐久性、稳定性以及精度需要。作者根据电阻应变式压力环的思想，与柳州OVM 公司共同开发出了光
纤光栅拉索压力环。该压力传感器具有精度高、重复性好、耐久性好、安装方便等优点，而且制作成本较
低、形式改变容易等优点，适于索体构件的整体索力监测。
图13 光纤光栅拉索压力环
4 光纤光栅智能部品（结构）
光纤光栅具有尺寸小的重要特性，可以将其与其他材料复合或布设到重要结构上形成准本征型智能结
构，作者根据土木工程健康监测的需要，研制开发出具有重要工程背景的光纤光栅智能复合筋/板/管/布、
光纤光栅智能拉索，光纤光栅智能地秤（汽车衡）等智能部品（结构），获得很好的效果。
4.1 光纤光栅智能复合筋/板/管/布
FRP材料具有耐腐蚀、强度高、非磁性、重量轻（密度为钢材的1/6~1/4）、高疲劳限值、加工方便等
优良性能，在土木工程中的应用前景十分广阔。FRP材料已经成为继石材、混凝土、钢材以后的又一重要
建筑材料。目前FRP筋/板/管/布等材料已经在发达国家得到大量应用，并形成了重要规程或建议。作者结
合FRP 的强度特性和光纤光栅的感知特性，研制开发出FRP－OFBG 复合筋/板/管/布。这种FRP－OFBG
智能复合材料克服了光纤光栅在混凝土中埋设的工艺难题，是集感知和受力、功能材料和结构材料于一体
的新型土木工程材料，既可以方便地作为混凝土结构的内部传感元件，也可以作为结构受力筋。其中FRP
－OFBG智能筋产品与标定性能如图14 所示。
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
1551.5
1552.0
1552.5
1553.0
1553.5
1554.0
λ ＝ 1551.553+0.00121ε
R＝ 0.9999
波长(nm)
应变(με)
实测
拟合
图14 FRP-OFBG 智能筋产品与标定性能
4.2 光纤光栅智能拉索
为了方便长期监测拉索的内力以及可能的损伤状况，作者开发了系列光纤光栅智能拉索，如钢绞线光
纤光栅智能拉索、平行钢丝束光纤光栅智能拉索以及新型索体－FRP智能拉索等，并已经用于多座桥梁结
构上。
a. 光纤光栅FRP智能拉索b．光纤光栅钢丝智能拉索
图 15 光纤光栅智能拉索
4.3 光纤光栅FRP 智能锚头
锚头是FRP 材料用于实际工程的核心组件，其内部受力与损伤信息的监测目前尚没有合适的监测技
术。作者采用FRP-OFBG 成功地开发了光纤光栅FRP 智能锚头，可以方便地监测锚头的内应力分布与可
能的损伤信息，并能方便地计算出锚固力与分析受力特性，适于用于锚头的长期监测。
streching
direction
FBG5 FBG4 FBG3 FBG2 FBG1
conducting optical fibre
freedom end streching end
a. 光纤光栅智能锚头的布设示意图b. 锚头照片
图 16 光纤光栅FRP智能锚头
4.4 光纤光栅智能地秤
车辆荷载监测是桥梁、道路、隧道等结构健康监测和一般荷重的重要测试工具，是用来有效评估公路、
桥梁服役安全状态的基本数据源之一，而传统的基于电学量的汽车衡（地秤）在耐久性指标上难以满足实
际工程需要。光纤光栅智能动态汽车衡充分利用了高耐久性光纤光栅的智能感知特性，根据结构式传感装
置的构造思想，巧妙地改变荷载传力过程，并采用无胶封装技术，使得整个汽车衡没有受耐久性制约的部
件，并且具有很高的精度、重复性、抗疲劳等特性。此外，该产品与路基、路面匹配性很好。本产品具有
成本低、耐久性好、动态响应性能好、精度较高、重复性好等优点，特别适于耐久性高的场合。主要产品
形式如图17所示。
图 17 光纤光栅智能地秤
5 结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统
结构健康监测的大规模光纤光栅传感网络与集成系统一般由光纤光栅传感器、光纤光栅信号解调仪、
光开关或光合波器、光纤跳线、光纤适配器、传输光缆、系统软件等部分组成，其中光纤光栅信号解调仪、
光开关（合波器）与系统软件（包括与结构健康监测系统数据库的通讯部分）是核心部分，系统构建如图
18 所示。
计算机
...
光纤光栅
解调仪
FBG1
光开关1
（合波器）
FBGn
FBG1 FBGn
光开关n
（合波器）
传输光缆
跳线
跳线传输光缆
光纤适配器
...
...
...
...
...
...
...
...
(a) 光纤光栅传感网络
(b) 光纤光栅监测系统实物照片(c) 系统软件
图 18 结构健康监测的大规模光纤光栅传感网络与集成系统
6 工程应用
作者及其课题组在国家863 项目、国家自然科学基金、西部交通科技项目、重大桥梁工程项目等较多
重大项目的支持下，从2001 年开始，采用光纤光栅传感器进行了10 余项重大桥梁工程的结构健康监测实
践，主要有山东东营黄河 、黑龙江呼兰河大桥、黑龙江牛头山大桥、山东滨州黄河 、南
京长江第三大桥、湖南茅草街大桥、重庆Щ肠穥广阳岛大桥、四川峨边大渡河大桥、黑龙江松花江大桥等。本文
仅仅介绍部分有代表性的重大桥梁结构监测项目。
6.1 黑龙江呼兰河大桥
呼兰河大桥位于黑龙江省呼兰县，由7个跨度为42m的5 箱预应力连续梁构成，该桥总长度为420m。
由于呼兰河长期泥沙淤积、软土覆盖层很厚以及施工条件恶劣等原因，呼兰河大桥的下部均采用钻孔灌注
桩基础、柱式桥墩与肋式桥台。鉴于该桥施工复杂、工期短、跨度较大、交通流量较大和冬夏温差很大等
原因，对其进行健康监测具有实际意义。
2001 年，作者及其课题组将3 个光纤光栅温度传感器和12 个光纤光栅应变传感器分别布设在2 个箱
梁上 (欧进萍等，2002)。布设的光纤光栅传感器监测了预应力箱形梁张拉过程的钢筋应变历程，以及箱形
梁静载试验的钢筋应变增量与分布。桥梁建成一年后，光纤光栅传感器工作良好，但对比用的应变片均失
效。利用布设的光纤光栅应变和温度传感器对呼兰河大桥进行了阶段性运营监测，测量的温度和应变如图
19 所示，应变的峰值及其时程反应可以用于交通状况如车重量和车速的监测，也可以用于桥梁结构的累
积损伤和安全评定。(欧进萍，2004)
a. 呼兰河大桥服役过程光纤光栅应变与温度监测
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
-1 0
- 8
- 6
- 4
- 2
0
2
4
6
应变(με)
时间( s )
b. 光纤光栅传感器监测车辆荷载下的应变时程
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
11
12
13
14
15
16
17
18
19
温度(℃)
时间（分钟）
c. 埋入光纤光栅传感器监测桥梁温度时程
图19 光纤光栅用于呼兰河大桥健康监测
6.2 山东滨州黄河
滨州黄河 是新建的205 国道滨博高速公路跨越黄河的重要桥梁。是目前全国第三座，山东
省第一座预应力混凝土三塔斜拉桥，也是目前黄河上唯一的三塔斜拉索。大桥全长1698 米，其中主桥为
42+42+300+300+42+42 米PC 斜拉桥，全宽32.8 米。主塔及边塔均采用双柱双索面型式，中塔高125.28
米，边塔高75.778 米； 主梁采用开口双三角箱截面，在中塔处塔梁固结，边塔处半漂浮支承，主梁及塔
柱采用55 号混凝土。北、南引桥分别为6 孔×42 米和16 孔×42 米PC 连续箱梁，全宽27.5 米。桥墩基
础为钻孔灌注桩，桩径Ф1.5米，桩长最长120米。计算行车速度为120 公里/小时。荷载标准为汽车-超20
级、挂车-120。概算投资6.96亿元。施工工期3年。大桥具有设计新颖、结构复杂、科技含量高、施工工
期紧、施工难度大的特点。
山东滨州黄河 于2003 年11 月合拢，2004 年7 月3－6 日进行了成桥试验，如图20 所示，
2004 年7 月18 日正式通车。由于桥梁结构在其服役期间性能退化显著，严重影响桥梁结构服役安全性，
为此，山东省交通厅公路局委托哈尔滨工业大学为该桥设计并实施运营健康监测系统。该系统能够自动地
在线运行，并可以通过Internet 网络访问该桥的数据库，也可以通过Internet网操作和控制该系统的参数。
图20 滨州黄河 成桥图
为监测大桥结构的温度和应变以对其健康状态进行评价，在桥结构中布设了138 支光纤光栅传感器。
建立了基于编程光开关、光纤光栅解调仪的光纤传感网络，利用空分复用原理，实现对多个传感器的数据
采集。通过程序可以远程控制光开关的切换，实现多通道静态采集及四通道动态采集，对大桥主梁监测截
面与斜拉索截面的温度与应变进行监测，如图21 所示。
图21 山东滨州黄河 光纤光栅监测系统
图 22 为大桥行车动载试验，重车以60KM/H 的速度行驶过合拢段过程中，合拢段截面应变反应。波
峰最大的曲线为合拢段处斜拉索监测截面应变值。峰值较小的两条曲线为合拢段处主梁应变反映。图中曲
线可以如实的反应处这一过程的应变变化。图23 显示的是在24 小时范围内，测点处光纤光栅的应变反应，
采样频率1Hz。温度曲线显示了。显示数据从上午8点开始，从数据中可以看到最高的温度发生在下午两
点，最低温度发生在上午6 点。温度对应变结果影响很大，可以看出在进行温度补偿前后的两条曲线相差
很大。
图22 动载试验的光纤光栅应变传感器测试图 23 运营期间光纤光栅应变反应和温度
6.3 山东东营黄河
东营黄河 位于山东省东营市，南北跨越垦利县和利津县，距黄河入gjigi海口约70km，是目前黄
河下游最后一座桥梁。该项目是国家规划的“五纵”、“四横”干线公路网及山东省综合运输网主框架的重
要组成部分。东营黄河 按高速公路标准建设，全长2743.1m，为双向4 车道，桥宽26m，设计行
车速度100km/h，设计荷载汽一超20，挂一120；主桥为116+200+220+200+116m预应力混凝土刚构一连
续组合梁，主墩为壁厚1.8m、中心距8m的双薄壁墩，其他各墩均为矩形截面实体墩，全桥均为钻孔灌注
桩基础。目前该桥已经完成桥面铺装。图24 为施工阶段的主桥。
图24 山东滨州黄河 光纤光栅监测系统
该桥在施工过程中经历多次体系转换，施工过程复杂，且影响因素较多，这些不确定性因素可能引起
结构主要参数如梁重、结构刚度等的变化，进而导致结构内力状态与设计理想状态偏离，且这些参数误差
具有累计性，必须在施工过程中不断地进行监测、识别、控制。该桥的服役环境相当恶劣，加之疲劳效应、
腐蚀效应、材料老化和超载等不利因素的影响，结构不可避免地要产生损伤累积、抗力衰减。在该桥运营
期间，对结构内力及变形必须进行适时健康监测。另外新桥在通车前必须进行荷载实验，以验证本桥设计
与施工质量、了解桥梁结构的实际承载能力。从监测信息衔接的完整性角度，该桥是目前世界上唯一集施
工监测、成桥试验、健康监测三位一体的大桥。该桥目前还在建设中。
课题组在该桥上下游两幅桥中共布设光纤光栅应变传感器1688 个，温度传感器180 个，布设照片如
图25 所示。
图 25 东营黄河 传感器布设
为做好应变测量的温度补偿工作，在所有内力测面的顶板、底板及腹板中，均优化布设了光纤光栅温
度传感器；为尽量减小日照温差引起的局部温度荷载的干扰，内力测量选择在日出前进行；为尽量避开风
荷载的干扰，测量均选择在3 级风以下天气进行。图25 为上游5 测面在8#墩20#块绑扎钢筋时，纵向应
变测量值及其按平截面假设梁理论计算而得到的正应变沿梁高分布示意图，该测面距8#墩中心7.6m，测
面高度10.548m，形心距顶板上边缘4.961m，距底板下边缘5.586m。
图25 上游5测面在20#梁段绑扎钢筋时纵向应变测量值及设计计算值对比
从图25 可见，悬臂施工梁端全截面受压，且顶板压应力储备较大；腹板上部顶板测点压应变值较顶
板平均应变值大，腹板下部底板测点压应变值较底板平均应变值大，悬臂变截面箱梁在端部呈现明显的正
剪力滞效应；从顶板、底板及形心测量值整体来看，该测面纵向弯曲变形基本符合平截面假定，测量值与
计算值基本吻合。
6.4 南京长江第三大桥施工监测
南京长江第三大桥是国家“十五”期间重点建设项目，是上海至成都国道主干线的重要组成部分，也
是江苏省规划建设的五大战略性过江通道之一。南京长江第三大桥是双塔双柱斜拉桥，主跨648m，钢索
塔、钢箱梁桥面结构，基础形式采用钢套箱加钻孔灌注桩组合而成的高桩承台。其建设条件复杂，技术标
准高，施工难度大。南塔桥墩处水深流急，经过方案优化对比，桩基础施工采用平台结构施工方法，即由
定位船和两条导向船组成施工平台。施工时，首先将钢套箱（F 29×24.6×84m）沉入水下－13.1m 处，
通过缆索将钢套箱与定位船连接，形成相对稳固的临时结构；然后，将8根钢护筒（F 3.360m和3.340）
分批打入河床土中，将钢护筒与钢套箱刚性连接，使钢护筒定位；而后，在钢护筒中钻孔沉入钢筋骨架；
最后，浇注混凝土形成桩基础。南京三桥效果图与施工过程图如图26 和27 所示。
南京长江第三大桥桥索塔深水桩基础的施工工艺十分复杂，施工过程中基础关键构件的受力具有时变
特性和精确计算的困难，因此，采取有效措施监测其关键构件施工全过程的受力状态，对于确保桩基础施
工安全是十分必要的。本项目监测钢护筒施工阶段的受力状态、桩基础的受力状态、套箱吊杆的轴力，以
及承台施工阶段的温度及温度应力状态。
图26 南京长江三桥效果图
图27 南京三桥施工照片
课题组在南京三桥深垐垐垐水基础施工监测项目中共布设了397 个光纤光栅应变和温度传感器，其中温度测
量225，吊杆14，主墩护筒87，试验桩11，基桩钢筋笼60，是目前国际上施工控制中布设光纤光栅应变
和温度传感器最多的桥梁基础。此外，开发的施工监测系统与综合数据管理系统数据库，推动了信息化施
工的发展，还可以作为大桥健康监测系统的基础和有机组成部分。
图 28 钢护筒传感器布设
图 29 桩基础传感器布设
图30 钢护筒施工监测
图31 施工监测软件
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
6-26 7-1 7-6 7-11 7-16 7-21 7-26 7-31 8-5 8-10 8-15
日期
测点温度
测点13 测点14 测点15 测点16 测点17 测点18
测点19 测点20 测点21 测点22 测点23 测点24
测点25 测点26 测点27 测点28 环温
图 32 部分温度场监测效果
图 28－32 为部分传感器布设、监测过程与监测结果。本项目课题组采用先进的光纤光栅传感技术、
数据采集技术和现代数据管理技术开发了索塔基础施工智能监测系统，对索塔护筒和基桩进行了力学分
析，研究了光纤光栅的布设工艺，并在钢护筒施工阶段、索塔桩基础施工阶段、封底混凝土施工阶段和索
塔承台大体积混凝土的施工阶段布设了较大规模的光纤光栅应变和温度传感器，对相应施工阶段进行了监
测，为南京三桥索塔深水桩基础的施工过程提供了参考数据和具体的施工控制方案。
6.5 湖南茅草街大桥
湖南省南县茅草街大桥是省道1831 线跨越松澧洪道、藕池河西支、南茅运河及沱江的一座特大型桥
梁。大桥全长7579.7 米，概算总投资，跨松澧洪道桥主桥按80m+368m+80m 三跨连续自锚中承式钢管混
凝土系杆拱桥布置。边跨、主跨拱脚均固结于拱座，边跨曲梁与边墩之间设置轴向活动盆式支座，在两边
跨端部之间设置钢铰线系杆，通过边拱拱肋平衡主拱拱肋所产生的水平推力。桥梁概貌如图33 所示。
茅草街大桥是目前世界上跨度最大的中承式钢管混凝土系杆拱桥，其在运营期间的风、地震、车辆等
荷载以及温度等作用下的受力性能十分复杂，因此，在该桥上布设运营健康监测系统，实时监测该桥运营
期间的安全性，对于保证茅草街大桥运营期间的安全性，具有十分重要的意义和实用价值。
图33 茅草街大桥主桥概貌
考虑有限元静动力分析结果实际情况，作者及其课题在主拱拱肋内、吊杆与系杆上布设光纤光栅传感
器共100 余支，如图34 所示。该桥目前还在施工建设中。
图34 茅草街大桥传感器布设
6.6 重庆广阳岛大桥
重庆市广阳岛大桥全桥长1129.16m。是预应力混凝土连续刚构桥，单箱单室截面。上部构造为
115.5m+210m+115.5m连续刚构+17×40m简支梁，下部构造为柱式墩、桩基础。设计荷载为汽车—20 级，
挂车—100 级，人群3.5kN/m2。桥面静宽度为1.75m 人行道（含栏杆）+9.00m（行车道）+1.75m 人行道
（含栏杆）=12.50m，为 2 车道设计。连续刚构上部采用预应力混凝土箱梁、单幅桥设计。主桥长度为441m。
主梁采用单箱单室，箱顶宽12.5m，箱底宽6.0m，单侧悬臂宽度3.25m。箱梁跨中梁高3.5m，墩顶跨端梁
高11.0m，单“T”箱梁梁高采用半立方抛物线变化。主梁及主墩墩身采用55 号混凝土，箱梁采用了纵、
横、竖三向预应力结构，纵向及桥面横向的预应力采用Φ15.24mm 钢绞线，竖向预应力采用Φ32 的
40Si2MnMoV 高强度精轧螺纹粗钢筋。图35 为刚开始主梁悬臂施工的广阳岛大桥主桥。目前，该桥还在
建设中。
图 35 悬臂施工阶段的广阳岛大桥主桥
该桥是一座大跨度连续刚构桥，其受力状态复杂，主梁往往受到双向弯曲、扭转和剪力的作用，加之
近年来车辆超载普遍，严重威胁桥梁的服役安全。对桥梁进行健康监测，是保障桥梁安全服役的有效措施。
用 ANSYS 进行计算分析，针对该桥梁的受力特点，在该桥梁受力较大的截面上布设了光纤光栅-纤维
复合筋（5m 长）、光纤光栅应变和温度传感器共50 余个，用来监测该桥关键截面的受力状态。纤维复合
筋内部也设置了光纤光栅，其直径较大，长度较长（5m），它既发挥传感器的作用，也发挥加强筋的作用。
各传感器相应布设图片如图36 所示。
图36 重庆广阳岛大桥光纤光栅传感器布设
6.7 黑龙江松花江大桥
哈尔滨四方台松花江大桥为主跨336 米的钢—混凝土组合结构斜拉桥，主桥全长696 米，是东北乃至
北方地区最大跨径的组合结构斜拉桥。黑龙江省哈尔滨松花江四方台大桥采用双塔双索面半漂浮结合梁斜
拉桥体系，引桥采用预应力混凝土连续箱梁结构。桥梁全长1268.86m，主桥长696m，引桥长572.86m。
本桥采用热挤聚乙烯半平行斜拉索，拉索采用φ7 低松弛预应力镀锌高强钢丝，外包PE 防护材料。全桥共
计52 对斜拉索。拉索索面为空间扇形，自上向下向桥外侧倾斜；塔内拉索虚交点之间竖向距离为2.0m，
最上端索距塔顶面4.92m，梁上拉索锚点水平间距为12.0m，1#索锚点距顺桥向塔中心水平距离约15.2m。
哈尔滨四方台松花江大桥的效果图如图37 所示。
图37 黑龙江松花江大桥图38 ZM2Z1 子截面传感器实际布置图
2003 年，课题组首先建立了哈尔滨松花江四方台大桥的有限元分析模型，通过对该结构进行分析，获
得了结构受力状态，根据结构应力分布特点，按照热点应力原则，确定了光纤光栅传感器的布设方案，以
监测主梁的应变和温度，共布设了60支光纤光栅传感器。图38 为传感器布设情况。监测的部分结果如下
图39 所示。
图39 黑龙江松花江大桥运营监测
图39 显示的是跨中钢主梁下缘测点处光纤光栅测量的运营阶段行车动态反应。从曲线中可以清晰的
看到这种车辆作用于大桥结构产生的影响，采样频率50Hz。最大的动载反应为90με。此图为上图动态监
测局部放大图，可以更加清晰的看到车辆动载产生的应变反应。最大峰值处为重车反应，小峰值处为轻车
反应。监测结果与实际情况吻合很好。
7 研究项目与产业化
7.1 项目研究
哈尔滨工业大学在国家863重大项目“海洋平台结构的实时监测与检测成像技术（编号2001AA602023）
和“光纤光栅传感网络关键技术研究与工程应用”（编号：2002AA3131110）、西部交通重点项目、国家高
技术应用项目、国家自然科学基金重大国际合作项目“重大工程结构的智能健康监测，”（中、美、日） 、
“钢筋混凝土结构的光纤光栅智能监测（编号50308008）和“FRP 加筋混凝土构件的力学性能与智能特
性”(项目编号：50208007) 和中俄协议项目、中国博士后基金等纵向课题以及一批重大工程应用项目等项
目的共同资助下，对光纤光栅传感传感技术进行了较系统研究，已经形成多份研究报告、国家专利、论文
等自主知识产权的成果。
7.2 国际合作
为了推动结构健康监测的发展，哈工大负责了“重大工程结构的智能健康监测”（中、美、日）重大
国际合作项目，并与美国、日本、韩国等国家和地区共同了成立了“亚太结构健康监测与控制协同研究中
心”，光纤传感为其中的重要研究内容。此外，针对光纤光栅传感器的发展需要，成立了“哈工大－MOI
光纤光栅传感器与监测系统”联合试验室和“中俄结构健康监测的光电技术”联合实验室，目前在该方向
研究人员达20 余人。
7.3 产业化
目前，哈尔滨工业大学研制开发的系列光纤光栅传感器及其部品已经基本定型，并已经得到工程检验，
获得了“2004 年国家重点高新技术产品”和“黑龙江省高新技术产品证书”,已经形成相应的产品系列，
分别由“哈尔滨泰达尔科技有限公司”（www.tider.com.cn）和“宁波杉工结构监测与控制中心”开发与生
产。
8 结语
本文重点介绍了作者及其课题组近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大桥
梁结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。根据作者及其课题组的研究结果与工程实践表明，光
纤光栅传感器是适于重大桥梁结构健康监测的理想传感器。考虑重大桥梁结构健康监测对光纤光栅传感器
的需求，以下方面是值得考虑的：
1）传感器的耐久性与耐久性的布设工艺。重点突破满足土木工程对高耐久性传感器的需求和监测耐久
性的传感亟的研制与开发，如腐蚀传感器等。
2）行业标准与规程。目前，市场上开发的传感器可谓“丰富多彩”，但是缺少同统一标准约束，而且
部分厂家的传感器未经过严格的性能试验，造成业主难以适从。建立行业标准与规程是推动光纤光栅传感
器应用的核心工作。
3）高性能光纤光栅解调设备。目前，虽然市场已经出现一些光纤光栅解调装备，但是从“健康监测”
的角度出发，还不能完全满足长期、_____大规模、实时监测的需求。
4）系统集成。光纤光栅监测系统与健康监测系统的集成将充分显示健康监测系统的优点，将是今后的
重要研究课题。
我国正处于重大桥梁结构建设的高峰时期，我国已经、正在和计划建设的重大桥梁结构为光纤光栅
传感器的应用提供了广阔的空间和美好前景。
致谢
感谢“哈尔滨泰达尔科技有限公司”和“宁波杉工结构监测与控制工程中心”的大力支持与帮助。
