桥梁健康监测系统方案

桥梁健康监测系统方案

2010年9月

北京凯源泰迪科技发展有限公司Beijing Countertide Technology&Development Co., Ltd.

目录

一、北京凯源泰迪科技发展有限公司简介 (3)

二、桥梁健康状态实时监测的意义和必要性 (4)

三、传统桥梁检测方法 (6)

四、基于光纤光栅传感技术的桥梁监测系统 (7)

五、桥梁监测内容及系统构成 (9)

5.1 桥梁结构健康监测与安全评价系统构成 (9)

5.2 桥梁光纤监测设备应用一览表 (10)

六、桥梁监测相关产品 (11)

6.1 桥梁结构应力（应变）监测 (11)

6.1.1 CTTD-S100自温补表面光纤光栅应变计 (11)

6.1.2 CTTD-S200高分辨率表面安装式光纤光栅应变计 (11)

6.1.3 CTTD-S400埋入式光纤光栅应变传感器 (12)

6.2 温度分布监测 (12)

6.2.1 CTTD-T400表面式光纤光栅温度传感器 (12)

6.2.2 CTTD-T100埋入式光纤光栅温度传感器 (12)

6.3 索力监测 (13)

6.4 位移监测 (14)

6.5 地下水位监测 (14)

6.6 振动监测 (14)

6.7 光纤传感数据采集设备 (15)

6.7.1 CTTD-A01-16光纤传感分析仪 (15)

6.7.2 CTTD-A02光纤传感分析仪 (17)

一、北京凯源泰迪科技发展有限公司简介

北京凯源泰迪科技发展有限公司总部位于北京市西城区，技术依托中国科学院微系统所传感技术国家重点实验室及中国科学院力学所，主要从事自主科技的光电器件、光电设备的研发、生产及销售，拥有光纤光栅传感和光纤DTS分布式传感和光纤MEMS传感三大类别的全系列产品线和核心技术，并围绕公司核心产品，为客户提供系统级解决方案。

光纤光栅传感产品线主要包括CTTD-A01大容量光纤传感分析仪、CTTD-A02系列高速光纤传感分析仪、CTTD-T系列光纤光栅温度传感器、CTTD-S系列光纤光栅应变传感器、CTTD-P系列水位/压力传感器、CTTD-D系列位移传感器。

光纤DTS分布式传感产品线主要包括CTTD-A01D-R系列分布式光纤测温仪和CTTD-A01D-B系列分布式光纤应力测试仪。

光纤MEMS传感产品线主要包括CTTD--MA系列加速度传感器、单点式光纤温度传感器、光纤湿度传感器、光纤可调谐激光器等。

公司拥有光纤光栅照射线、光纤传感分析仪和分布式DTS光纤测温仪组装线、光纤MEMS工艺线及光纤传感产品组装测试线。

公司拥有计量级应变标定系统（疲劳实验机+激光测距装置，应变标定精度1με），计量级温度标定系统（精密恒温槽+二等标准铂电阻温度计，温度表定精度0.01℃），产品可靠性测试系统（高精度温控箱+高低温加湿度环境实验箱，可提供-60℃～+200℃范围内的温度循环测试及可变湿度测试），为产品测量精度和长期可靠性提供了技术保障。

公司相关产品已广泛应用于国家基础设施和工业设备的安全监测和生产测量，以及国防装备的光电检测与控制，涉及桥梁、大坝、隧道、建筑等土木工程结构安全监测和高压输变电设备（电力开关柜、电缆接头、变压器、互感器等）在线温度监测以及工业消防（电缆沟、

隧道、油罐、建筑等火灾自动报警）等多个应用领域。

二、桥梁健康状态实时监测的意义和必要性

众所周知，桥梁跨越山谷、道路、河流或其它障碍物，是一种架空于水面或地面的人造通道，其可靠性和安全性尤为重要。由于桥梁事故的破坏性巨大，不仅会造成交通中断，影响国民经济发展，还会带来巨大的经济损失和人员伤亡，将造成非常不好的社会政治影响。例如：1989年10月17日，美国Cypress Freeway在1989年旧金山7.1级的地震中倒塌，造成42人死亡。1994年10月21日，韩国首尔Songsu大桥中间段在早上上班高峰时期断开，坠入汉江，导致31人死亡。1994年10月2日，中国广东省一家娱乐公园的一座浮桥的栏杆断裂，导致桥上游客全部坠毁，33人在事故中丧生。1995年1月17日，日本神户发生灾难性的里氏7.3级地震，造成了严重人员伤亡和财产损失，其中一座四车道悬空高速公路断裂，将道上汽车甩落地面，导致18人死亡。1995年10月8日，阿尔及利亚拉格瓦特省一个小镇大雨之后一座桥坍塌，导致50人左右丧生。1999年1月4日，中国重庆綦江县彩虹桥发生了坍塌事件，造成至少40人死亡。2001年3月4日，葡萄牙北部的

Hintze-Ribeiro大桥坍塌，一辆汽车落水，导致多达59人死亡。2002年5月27日，美国俄克拉荷马州的一座大桥被驳船撞击后断裂，数辆车坠入阿肯色河，至少14人死亡。2003年8月28日，印度达曼西部沿海区域一座大桥坍塌并坠入泥河，一辆校车及多辆轿车被卷入湍流，至少25人死亡，其中包括23名儿童。2006年12月2日，印度比哈尔邦帕戈尔布尔火车站附近一座150年的旧桥在被拆毁的过程中坍塌，地面一列火车被压，导致33人死亡。2007年3月20日，几内亚盖凯杜省一座大桥坍塌，地面一辆满载乘客和货物的卡车被压，导致至少65人死亡。2007年6月15日，中国广东佛山发生一起运沙船撞击桥墩事件，造成大桥南岸200米桥面坍塌，多辆汽车坠河，10人死亡。所有这些灾难的发生，都使整个世界为之震惊，从而引起了人们对桥梁的健康的极大关注。鉴于桥梁的特殊性与复杂性，国际上开展了相关的对策研究。在桥梁设计方面，设置先进、可靠的综合健康状态实时监测系统，对出现的安全隐患能够快速反应，能够达到从探测、报警、联动控制直至消除安全隐患

的全方位一体化要求，实现对桥梁关键部位的温度、应变（应力）、振动（加速度）、缝隙变化、地下水位变化、索力变化等各项参数的综合实时监测，并根据监测数据由监测系统判断桥梁的健康状况。这样，桥梁养护工作人员可以实时真实地了解到桥梁的安全状态，为桥梁上的各种活动提供可靠有效的参考依据，进而通过提供所需要的早期危险报警和损伤评估来保证桥梁的安全，从而大大增强桥梁的生存能力。

2006年2月9日，国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》确定了11个国民经济和社会发展的重点领域，并从中选择了68项优先主题进行重点安排。其中，在“公共安全”重点领域中，其发展思路中明确提出了：1）加强对突发公共事件快速反应和应急处置的技术支持。以信息、智能化技术应用为先导，发展国家公共安全多功能、一体化应急保障技术,形成科学预测、有效防控与高效应急的公共安全技术体系。2）提高早期发现与防范能力。重点研究桥梁、煤矿等生产事故、突发社会安全事件和自然灾害、核安全及生物安全等的监测、预警、预防技术。并确立了“重大安全事故的预警与救援”的优先主题。此外，在“信息产业及现代服务业”重点领域中，其发展思路中明确指出了：1)以应用需求为导向,重视和加强集成创新,开发支撑和带动现代服务业发展的技术和关键产品,促进传统产业的改造和技术升级。2)以发展高可信网络为重点,开发网络信息安全技术及相关产品,建立信息安全技术保障体系,具备防范各种信息安全突发事件的技术能力。并确立了“传感网络及智能信息处理”的优先主题。由此可见，国家对桥梁等大型公共设施的安全状况监测、预警技术的开发非常重视。

综上所述，建立一个以桥梁结构为平台，应用现代传感、通信和网络技术，优化组合结构监测、环境监测、交通监测、设备监测、综合报警、信息网络分析处理和桥梁养护管理各功能子系统为一体的综合监测系统是非常必要的，也具有非常重要的意义。

健

康监测

大

桥

监控与评估

研究与发展

设计验证

正常运营监控

结构状态识别 可靠性评估

图1 建立大桥结构健康监测系统的意义

三、传统桥梁检测方法

传统桥梁检测技术是通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息对桥梁结构的安全状态进行评估。人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。传统检测方式的不足之处主要表现在：

●需要大量人力、物力并有诸多检查盲点，这对现代大型桥梁尤其突出。

●主观性强，难于量化。经过半个多世纪的发展，虽然现代斜拉桥的分析设计与施工技术已日趋完善，但对某些响应现象，尤其是损伤的发展过程，尚处于经验积累中，因此定量化的描述是很重要的。

●缺少整体性。人工检查以单一构件为对象，只能提供局部的检测和诊断信息，而不能提供整体全面的结构健康检测和评估信息。

●影响正常交通运行。对于较大型的桥梁通常需要搭设观察平台或用观测车辆，无可避免需要实施交通控制。

●周期长，时效性差。大型桥梁的检查周期可达数年。在有重大事故或严重自然灾害的情况下，不能向决策者和公众提供即时信息。

从上可知，人工桥梁检查程序和设施，无法直接和有效地应用于大型桥梁的检测上。因此有必要建立一个针对大桥的结构健康监测系统，用于监测和评估大桥在运营期间结构的安全性、耐久性和使用性等。

四、基于光纤光栅传感技术的桥梁监测系统

光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。光纤光栅是以光纤为基本材料，通过激光加工形成的一种特殊器件，能够对满足布拉格条件的光进行反射，在实际工程中，要检测的点如果受到应变、温度、压力、位移和加速度等变化，波长就会改变，这样通过检测波长的变化就可以检测出此点的应力状况。进而可以判断出被检测物体的安全状况。

同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有以下优势：

1)多个相同或不同类型的传感器可以串接复用在一根光纤上，系统集成度高；

2)单根光纤上串接的传感器间隔可以是几厘米或几十公里，直接实现远程传输；

3)测量精度和分辨率高；

4)传感器的零偏值不漂移，属于绝对量测量，长期工作性能稳定；

5)传感量检测及传输均为光信号，不受电磁干扰及核辐射的影响；

6)环境适应性好，可长期用于高温、高湿及存在化学侵蚀等的恶劣环境；

7)重量轻，体积小，安装使用方便；

8)以光信号中心波长值表征被测量，不受光强波动及传输光纤弯曲损耗等影响；

9)传感器串接链具有自愈合功能：正常工作时，只需将传感串接链的首端或尾端接到光纤光栅传感网络分析仪即可实现所有传感器信号的同时检测；一旦施工中的意外情况或其他灾害导致传感器串接链断损，则可以将传感链的另一端也接到光纤光栅传感网络分析仪，此时以断点为界，左右两侧所有的传感器分别通过串接链的首端和尾端连接到光纤光栅传感网络分析仪进行检测，实现自愈合。

基于光纤光栅传感系统的桥梁健康监测系统是一个以桥梁结构为平台，应用新型光纤光栅传感技术，对桥梁上关键部位的结构变形、环境温度分布、地下水位、结构振动等多项参数进行实时监测的综合监测系统，它能够实时监测桥梁在各种环境、荷载等因素作用下的结构响应，并能有效地提供桥梁养护管理的科学依据，显著提高桥梁的整体管理水平，从而能够最大限度地确保桥梁安全运营，预诊断桥梁病害和延长桥梁使用寿命。该系统具有如下特点：

1）准分布式全光测量及传输

光纤光栅传感器本身为无源器件，传感信号的感测及传送均为光信号，因而监测现场没有电子设备，不受电磁干扰，无需做雷击防护。

2）测试精度高且具有准确的测点空间定位能力

光纤光栅传感器结构小巧且布设距离没有限制，可以准确定位各测点的空间位置。

3）实时性好

系统中所有监测点的同步数据采集频率可在毫秒级到秒级设定。

4）系统安装及长期使用过程中无需定标

光纤光栅本质稳定，不存在零点漂移。由于光纤光栅采用光中心波长表征物理量测量值，属于数字量，光源的老化衰减及传输光纤布设、使用过程中由于弯曲、扰动而引入的光信号衰减不影响测量精度。光纤传感分析仪无可动部件，长期使用无需标定。

5）高可靠性

光纤传感器和传输线路均为石英光纤，可在恶劣温湿度环境保持数十年工作寿命。

五、桥梁监测内容及系统构成

桥梁结构健康监测与安全评价系统包括数据测量系统和数据管理与分析两大子系统。其中，数据测量系统由传感器子系统和数据采集与传输子系统有机地组成；数据管理与分析系统包括监测数据管理子系统和数据分析处理子系统。

5.1 桥梁结构健康监测与安全评价系统构成

桥梁结构健康监测与安全评价系统构成

5.2 桥梁光纤监测设备应用一览表

六、桥梁监测相关产品

6.1 桥梁结构应力（应变）监测

了解在交通荷载、风荷载、温度荷载及地震荷载作用下大桥各重要构件的应变、应力情况，为评价结构的健康状态提供依据。相关传感器如下：

6.1.1 CTTD-S100自温补表面光纤光栅应变计

适用于钢结构表面应力变形监测的光纤应变传感器

6.1.2 CTTD-S200高分辨率表面安装式光纤光栅应变计

适用于钢结构和混凝土表面应力变形监测的高分辨率光纤应变传感器

6.1.3 CTTD-S400埋入式光纤光栅应变传感器

适用于混凝土内部应力变形监测的自温补光纤应变传感器

6.2 温度分布监测

温度变化是大跨度桥梁的重要荷载源之一，常引起大的变形和桥梁线形的改变，是监测的重要内容。通过实时监测桥址处的环境温度、大桥各主要构件的温度及温度梯度等数据，为结构的受力变形、分析结构状态参数的相关性提供依据。

相关传感器如下：

6.2.1 CTTD-T400表面式光纤光栅温度传感器

适用于结构表面及空气温度测量的光纤光栅温度传感器

6.2.2 CTTD-T100埋入式光纤光栅温度传感器

适用于埋入混凝土及液体内部测温的光纤光栅温度传感器

量程 ℃ -50～+120 温度系数 ℃/pm 0.1 测量精度 ℃ ± 0.5 光栅中心波长

nm 1525～1565 规格尺寸

mm

110mm ×Φ11m

斜拉索是斜拉桥的主要传力构件，活载和桥面系自重荷载具有斜拉桥传递到桥塔，斜拉索的拉力不仅关系到桥塔的受力状态，而且直接影响到桥面线型和行车舒适度，斜拉桥结构超静定次数高，受力情况较为复杂，斜拉索采用冷铸镦头锚，同时处于潮湿环境中，易于锈蚀，另一方面，结构某个部位的损伤或状态改变会影响斜拉索索力，因此，索力的变化对结构的安全性十分重要，通过对索力变化的实时监测，可以得到大桥斜拉索的拉力情况，为评估所监测斜拉索及周围各构件的工作状况提供依据。

相关传感器如下：

CTTD-L100光纤光栅锚索测力环

CTTD-L100光纤光栅锚索测力环周身为高强度的合金圆筒，筒体内置3～6个高精度的光纤光栅应变传感器。波长解调仪可以测量作用在锚索测力计上的总荷载，也可以分别读取每个传感器从而测量出不均匀荷载及偏心荷载。外置有温度补偿环，对于长期监测提供温度补偿。目前我公司提供的光纤光栅索力计具有优异的测量精度和温度漂移自补偿性能。

通过实时监测梁体支座处梁体的位移状况以及伸缩缝、裂纹的变化状况，为评估桥梁的工作状况提供依据。

相关传感器如下： CTTD-D100光纤光栅位移计

适用于桥梁伸缩缝及表面裂缝监测的光纤位移传感器

6.5 地下水位监测

通过实时监测基岩的水位或液位压力，为评估桥梁桩基的工作状况提供依据。 相关传感器如下： CTTD-P100光纤光栅渗压计

适用于地下水位及压力监测的光纤渗压传感器

6.6 振动监测

通过实时监测索塔、主梁等在风、交通、地震等作用下的加速度响应，以评估结构的整体动力特性，为评价大桥的结构健康与安全状况、验证大桥设计理论，以及日常运营国历提供依据。

相关传感器如下：

CTTD-MA光纤加速度传感器

6.7 光纤传感数据采集设备

6.7.1 CTTD-A01-16光纤传感分析仪

CTTD-A01光纤传感分析仪适用于光纤光栅温度、应变、压力、位移等多种类型的光纤光栅传感器信号解调和传感数据采集，也可用于光纤MEMS加速度传感器的高速信号解调及数据采集。

CTTD-A01光纤传感分析仪采用扫描激光器+并行光谱探测技术（光源输出光功率利用率高达85%以上，相比传统的ASE+可调滤波器技术，光源输出功率提高了100倍以上，电源功耗则下降50%，光源有效使用寿命提高10年以上），可对工程现场光纤传输线路损耗或光分路器级连损耗导致的微弱光纤光栅传感信号进行准确检测。

CTTD-A01系列光纤传感分析仪具有1-128个同步测量通道，同步扫描频率可在1～50Hz

之间设定。

CTTD-A01-16光纤传感分析仪

6.7.2 CTTD-A02光纤传感分析仪

CTTD-A02光纤传感分析仪适用于光纤光栅温度、应变、压力、位移等多种类型的光纤光栅传感器信号解调和传感数据高速采集。

CTTD-A02光纤传感分析仪内置高稳定宽带光源，采用高速光谱探测技术，信号解调频率可达3200Hz。

CTTD-A02光纤传感分析仪内置低功耗嵌入式处理器，性能稳定可靠，兼顾了工业测量领域长期在线监测和野外施工现场移动式测量的需求，具有便携式和台式两种机箱规格，可根据用户需求灵活选择。

CTTD-A02光纤传感分析仪