光纤光栅传感器及其在土木工程中的发展应用
光纤光栅传感技术在土木工程中的应用研究
光纤光栅传感技术在土木工程中的应用研究第一章引言随着土木工程的不断发展，对土木工程的质量要求越来越高。
传统的土木工程检测方法无法满足这一需求，故需要采用先进的传感技术，来提高土木工程的质量和安全性。
光纤光栅传感技术作为一种先进的测量技术，可以非常好地用于土木工程领域，逐渐被研究和应用。
第二章光纤光栅传感技术概述2.1 光纤光栅传感技术简介光纤光栅传感技术可以通过在光纤芯中的定期反射响应来实现测量传感，可以测量温度、压力、重力、力学振动、弯曲强度等多种物理量。
但是，在土木工程领域，主要应用于土木结构的形变测量、监测和力学分析。
2.2 光纤光栅传感技术优势光纤光栅传感技术具有高灵敏度、高精度、抗干扰能力强、体积小、本征安全可靠等特点，适用于土木工程领域对传感技术精度和实时性要求高的要求。
2.3 光纤光栅传感技术分类光纤光栅传感技术可以分为两类：分布式光纤传感和局部化光纤传感。
其中，分布式光纤传感技术主要应用于土木结构中的温度、变形、裂缝扩展等参数测量，而局部化光纤传感技术适用于沉降等点测量。
第三章光纤光栅传感技术在土木工程中的应用研究3.1 土木结构形变监测土木结构的形变与结构的安全性密切相关，因此进行土木结构变形监测是非常重要的。
光纤光栅传感技术可以通过测量光纤长度发生的变化，来判断土木结构的变形程度。
近年来，通过在桥梁、隧道结构、地铁车站等建筑物中应用光纤光栅传感技术进行形变监测的研究取得了很大成功。
3.2 风载荷作用下的土木结构监测另外，风载荷也是土木结构所需考虑的因素之一。
由于不同区域风速不同，所以风场会对土木结构产生不同的荷载作用。
光纤光栅传感技术可以实时监测结构体积的变化大小，以及在不同区域受外力的不同响应，从而有效评估土木结构的安全性。
3.3 土木路基沉降监测光纤光栅传感技术还可以应用于道路基础沉降监测中。
以黄河大桥为例，研究人员将光纤光栅传感技术与传统的放射线测量方法进行对比，结果表明光纤光栅传感技术可以准确地监测道路基础的沉降状态，具有更为显著的精度优势。
光纤光栅传感器应用于土木工程检测的实验研究
第31卷 第8期 中南林业科技大学学报 V o l.31 No.8 2011年8月Journal of Central South University of Forestry&Technology A ug.2011光纤光栅传感器应用于土木工程检测的实验研究覃银辉1,刘文吉3,蒋 华4,刘付华2(1.中南林业科技大学土木建筑与力学学院,湖南长沙410004; 2.中机国际工程设计研究院,湖南长沙410004;3.中山市建筑设计院有限公司设计三所,广东中山528400;4.广东省中山市房屋安全鉴定所,广东中山528403)摘 要: 在两个钢梁-混凝土墙节点中的同一位置分别设置光纤光栅传感器与应变片,通过对比光纤光栅传感器与应变片显示的应变结果,对整个试件的受力过程进行测量和分析。
结果表明:光纤光栅传感器比应变片的效果更好,测得的数据更准确,从而证明了光纤光栅传感器在土木工程检测应用中的可行性。
关键词: 光纤光栅传感器;应变片;应变;钢梁;混凝土墙中图分类号: T U317文献标志码: A文章编号: 1673-923X(2011)08-0157-06 Application of FBG sensor in civil engineering detectionQI N Y in-hui1,L IU Wen-ji3,JIA NG Hua4,L IU F u-hua2(1.Schoo l o f Civil Eng ineering and M echanics,Central South U niversit y of Science and T echno log y,Changsha410004,H unan,China; 2.China M achiner y Internatio na l Eng ineering Design and R esear ch Institute, Changsha410004,H unan,China; 3.Zhongshan A rchitectur e Co.L td.,Zho ngshan528400,G uang do ng,China; 4.Zhong shan H ousing Safety A ppr aisal O ffice of G uang dongP ro vince,Zhong shan528403,Guangdong,China)Abstract:FBG senso rs and st rain gauges wer e set r espectiv ely at the same locatio n between tw o r igid conjunction no des of steel beam and concrete w all.T he strain values o f the test specimen wer e measur ed throug h the sensor s and gauges.T he force pro cess of the entir e specimen w as ana lyzed.T he F BG senso rs has bet ter measuring effect than stra in g auges,and the measured data ar e mo re accurate,thus pro ving the feasibility of F BG senso rs fo r civ il eng ineer ing detection.Key words:F BG sensor s;strain g aug es;str ain;steel beam;concrete w all光纤是光导纤维的简称,它是工作在光波波段的一种介质波导,通常为圆矩形。
光纤传感技术在土木工程中的应用
光纤传感技术在土木工程中的应用摘要：光纤传感技术在建筑以及工业领域得到了广泛的应用，而且其技术也不断地成熟。
为了了解土木工程内部结构的形态，往往需要在结构的表面或者内部安放相应的传感器，对建筑结构进行测试。
光纤传感技术具有抗腐蚀、抗干扰等一系列的优势，是土木工程结构检测中的有效手段，因此应当加强其应用的研究。
关键词：土木工程；光纤传感技术；应用在土木工程项目施工的过程中，某些建筑结构体积过大，难以用传统地方式进行检测，如果其内部结构不合理，往往会影响到建筑物的质量和寿命，从而造成比较严重的安全事故。
同时建筑材料在应用的过程中都会出现一定的疲劳断裂现象，有必要加强对建筑内部结构的监测，及时发现建筑结构内部破坏情况，并且做出相应的维护措施。
光纤传感技术在土木工程中得到了广泛的应用，它能够实现对建筑结构的无损化监测，从而判别建筑结构的具体状态，确保建筑物的安全。
1.光纤传感技术简介光纤一般由纤芯、包层、涂覆层以及护套等组成，其结构如下图所示。
光纤传感技术是随着光纤通信技术以及光导纤维技术的发展而出现的一种新技术，光纤传感技术借助了光的作用，利用光纤作为媒介，从而来感测外界信号的传感技术。
在光纤传播的过程中，由于外界物质的不同作用，从而导致光波的物理参量发生变化，例如光在传播中的频率、相位、功率、偏振态等参数都会发生变化，光纤在传播的过程中有光探测器进行检测，然后将外界的变化情况提取出来并且转换为数据，以便分析建筑结构的内部情况。
近年来为了满足土木工程建设的需要，开发了许多针对建筑物结构的监测系统。
分布式光纤传感技术能够实现同时对两个以上的物理量进行监测，在具体的应用中具有良好的优势。
分布式光纤传感器能够实现传感和传输的一体化，最终能够对物理量进行连续测定，所以其信息量比较大。
光纤传感器能够根据土木工程的需要，实现在线实时监测，并且控制多种参数，实现远程自动化控制。
现在已经研发出了体积小、结构简单的传感器探头，能够深入到土木工程的结构内部而不破坏结构的性能，其应用也更加的方便。
光纤传感技术在土木工程监测中的应用研究
光纤传感技术在土木工程监测中的应用研究引言:光纤传感技术是一种基于光纤的传感器技术，利用光纤的光学特性来实现对环境参数的实时监测和测量。
近年来，光纤传感技术在土木工程监测领域得到了广泛的应用和研究。
本文将详细探讨光纤传感技术在土木工程监测中的应用，包括结构健康监测、地下水位监测、地下管道监测和地基沉降监测等方面。
一、结构健康监测结构健康监测一直是土木工程领域的重要课题，光纤传感技术为其提供了一种高精度、实时和可靠的监测方案。
通过在结构中嵌入光纤传感器，可以对结构的应力、温度和变形等重要参数进行实时监测。
光纤传感器的高灵敏度和快速响应能力使得它们特别适用于监测结构的动态响应，如地震、风载等。
此外，光纤传感器还可以远程监测大型桥梁和高楼大厦等复杂结构的健康状态，提前预警潜在的结构问题，从而保证工程的安全性和可靠性。
二、地下水位监测地下水位是土木工程中的重要监测参数，特别是在城市地下管网、地铁和基础设施等工程中。
传统的地下水位监测方法需要埋设大量的传感器和数据采集设备，而光纤传感技术能够通过单条光纤或光纤网络实现多点同时监测。
采用光纤传感器可以准确测量地下水位的变化，并实现远程数据的实时监测和分析。
此外，光纤传感器还可以监测地下水位的临界水位，一旦超过临界水位，系统会自动发出告警信号，以保障工程的安全。
三、地下管道监测地下管道的安全和稳定性对城市基础设施的运行至关重要。
然而，现有的地下管道监测方法通常需要大量的人力和物力，而且监测精度和可靠性有限。
光纤传感技术通过在管道上嵌入光纤传感器，可以实现对地下管道的温度、应变和压力等参数的实时监测。
光纤传感器的高灵敏度和快速响应能力使得它们能够迅速发现管道的异常情况，并及时预警潜在的问题。
此外，光纤传感器还可以实现对地下管道的泄漏检测，一旦发生泄漏，系统会自动报警，以便及时采取措施进行修复，避免事故的发生。
四、地基沉降监测地基沉降是土木工程中常见的问题之一，特别是在软土地区。
光纤传感技术在土木工程监测中的应用
光纤传感技术在土木工程监测中的应用近年来，随着科技和技术的迅速发展，光纤传感技术已经被广泛应用于各个领域。
在土木工程监测中，光纤传感技术的应用也开始逐渐增多，其具有高灵敏度、高精度、高稳定性等优势，成为土木工程监测中不可或缺的重要手段。
一、光纤传感技术的基本原理光纤传感技术是一种利用光纤作为传感器的技术，在土木工程监测中应用广泛。
基本原理是通过在光纤中注入光信号，并通过光学传输来检测物理量的变化，将信号转化成电信号并进行测量和处理。
光纤传感技术包括光纤布拉格光栅传感技术、拉曼光纤传感技术、微变分光光纤传感技术、光时域反射技术和光时域反射频域光纤传感技术等多种类型。
其中，光时域反射光纤传感技术和布拉格光栅技术应用较为广泛。
二、光纤传感技术在土木工程监测中的应用1、桥梁监测光纤传感技术可以实现对桥梁的动态和静态监测，包括桥梁的振动、温度、湿度、风速等参数的测量，为桥梁结构的健康状况监测提供了准确可靠的数据支持。
2、地下管线监测利用光纤传感技术可以对地下管线进行实时监测，如燃气管道、水管道等，在防止自然灾害、事故以及各种人为因素的干扰下保障城市基础设施的安全稳定运行。
3、地质灾害监测在地质灾害监测方面，光纤传感技术可以实现对山体、高边坡、高填方等地质情况进行实时监测，确保隐患及时被发现和处理，避免不可挽回的损失的发生。
4、建筑结构监测利用光纤传感技术可以对建筑结构进行实时监测，如楼房、大跨度桥梁、地铁车站等，对温度、湿度、振动等参数进行测量，确保建筑物能够长期安全稳定地运营。
三、光纤传感技术在土木工程监测中的优势1、高灵敏度对于很多土木工程中需要监测的参数，传统的监测方法往往无法达到足够的灵敏度。
而光纤传感技术可以提高灵敏度，对于土木工程中的各种参数监测能够提供更加精确和准确的数据。
2、高精度随着通讯技术的发展以及光纤传感技术的不断进步，光纤传感技术已经能够实现高精度的监测，并且具有误差范围低的特点。
土木工程中的光纤传感技术应用
土木工程中的光纤传感技术应用在当今土木工程领域，科技的不断进步为工程的设计、施工和监测带来了诸多创新和突破。
其中，光纤传感技术作为一种先进的监测手段，正逐渐展现出其独特的优势和广泛的应用前景。
光纤传感技术的原理基于光的全反射和干涉现象。
当光在光纤中传播时，外界物理量的变化会引起光纤中光的特性（如波长、强度、相位等）发生改变。
通过对这些光信号的检测和分析，就能获取到相应的物理量信息。
在土木工程中，光纤传感技术的应用涵盖了多个方面。
首先，在桥梁工程中，它可以用于监测桥梁的结构健康状况。
桥梁在长期使用过程中，会受到车辆荷载、风荷载、温度变化等多种因素的影响，可能出现裂缝、变形等问题。
通过在桥梁的关键部位（如主梁、桥墩等）布设光纤传感器，能够实时监测这些部位的应变、位移和振动情况。
一旦监测数据出现异常，就可以及时采取措施进行修复和加固，保障桥梁的安全运行。
在隧道工程中，光纤传感技术同样发挥着重要作用。
隧道在施工和运营期间，面临着地质条件复杂、围岩压力变化等挑战。
利用光纤传感器，可以对隧道围岩的变形、应力以及隧道衬砌的结构状态进行监测。
这有助于及时发现潜在的安全隐患，如围岩失稳、衬砌开裂等，从而采取有效的支护和加固措施，确保隧道的稳定性和安全性。
在高层建筑中，光纤传感技术能够对建筑结构的动态响应进行监测。
例如，在地震或强风作用下，建筑结构会产生振动。
通过光纤传感器，可以准确测量结构的振动频率、振幅等参数，评估结构的抗震性能和抗风性能。
这对于提高高层建筑的安全性和舒适性具有重要意义。
此外，在道路工程中，光纤传感技术可以用于监测道路的车流量、车速以及路面的应变情况。
这有助于交通管理部门优化交通流量，同时也为道路的养护和维修提供了科学依据。
在水利工程中，如大坝、河堤等结构的监测，光纤传感技术能够实时监测水位变化、坝体变形和渗流情况，保障水利设施的安全运行。
与传统的监测技术相比，光纤传感技术具有诸多优点。
首先，光纤传感器体积小、重量轻，对被测结构的影响极小，几乎可以实现无损监测。
浅谈光纤传感器在土木工程方面的应用
谢谢大家
2、干涉型光纤传感器
干涉型光纤传感器的基本原理是通过被测能量场 的作用，使光纤内传输的光波相位发生变化，从而产 生干涉，再用干涉测量技术把相位变化转化为强度变 化，检测出待测的物理量。
迈克尔逊干涉传感器
马赫-泽德光纤干涉传感器
3、光栅传感器 光栅传感器的基本原理是在光纤芯内制成折射率 周期分布的传感区,输入光在这个区域内反射,反射信 号的波长随折射率变化的周期和大小而变化。通过光 谱分析仪对光波长的检测就可以获得待测量
裂纹探测与结
构健康监测
应力、应变检 测
振动检测
温度检测
腐蚀检测
2.光纤传感器在国内的应用
在国内，我们将光纤传感器用于土木工程 中起步较晚,但也取得了一些阶段性的成果。 刘浩吾、杨朝晖用F-P光纤传感器对混凝土的 应变测量进行了实验研究;蔡德所用斜交分布 式光纤传感器技术对三峡古洞口面板堆石坝 工程进行了现场实验,对其裂缝进行了检测。 重庆大学黄尚廉、赵延超等人发展了一种新 颖的光纤模域振动传感器,并构建了一种机敏 桥面铺装结构,将其成功地用于虎门大桥桥面 铺装结构模型实验中。
涂覆层 包层 护套
纤芯
2.光纤的原理 其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在 调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质发生变 化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解 调器而获得被测参数。
传感型（功能型）传感器
传光型（非功能型）传感器
光纤传感器的特点
灵敏度高、、响应速度快 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全 测量速度快 信息容量大 适用于恶劣环境
光纤传感器的主要应用领域
由于光纤传感器具有如上所述的特点，可以用来解决许 多传统传感器无法解决的测量问题，所以自从它问世以来， 就被广泛地用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、航 空航天、地质和岩土工程等各个领域。
光纤光栅传感技术在土木工程中的应用现状
Ｊ ｎ ｔａ Ａ． ｅｎ ｏ ａｈ ｎ Ｇｒｅ ｅ
方法 ： １ 光纤光栅传感器套上金属导 管 。 （） 并与导管一起 置于
混凝土结构 中。混凝 土捣 实后 ， 在混 凝土 固结 前将金属 导管
取 出， 这样 光 纤光 栅 传 感 器 与混 凝 土 很 好 地 固 结 在 一起 。 （） ２ 将光纤光栅传 感器 直接粘 贴于钢 筋上 ， 或在 钢筋表 面开
维普资讯
光纤光栅传感技术在土木工程 中的应用现状
周美军 韩卫华 刘永辉 孙汝蛟 ， ， ，
（ 、 安市公 路 局 ， １泰 山东 泰安 ２ １０ ） ７ ００ （ 泰 安 市水利 与渔 业 局 ， ２、 山东泰 安 ２ １０ ； 、 ７ ００ ３ 同济 大学 ， 上海 ２０９ ） ００ ２
其实质是在纤 芯 内形 成一 个窄 带的滤 光器 或反 射镜 。其 制 作方 法如 图 １ ，传感原理如 图 ２ 。
栅的中心波长的改变量 ， 即可计算应变和（ ） 或 温度。因此有
时需要使它们的效应互相 区分开 ， 以便测 量各个物理参 数或
பைடு நூலகம்
嘞耐测量两个参数 。通过适 当转换 ， 还可 以用来传感 多种物
圈 １ 光 纤光 栅 制 作 示 意 图
由于光纤光栅传感 器难 以适 应混凝土结构的粗放式施
［ 收稿 日期 ］０ ５— ８—１ ２０ ０ ５ ［ 作者简介］ 周美军（９４～）男， １７ ， 山东泰安人， 中专， 助工。
光纤光栅属 于反射 型工作 器件 ， 当光源发 出的连续 宽带 光 （ ２中 Ｉ 通 过 传输 光纤 射 ＡＨ ， 图 ｉ ） － ， 它与 光场 发 生耦 合 作 ｔ
【 摘 要 】 在光纤传感领域 ， 纤光栅 传感技 术是十 多年 来发展 最为迅速 的技 术之一 ， 光 传感 系统本 身和
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在我国，光纤光栅传感器在桥梁等健康监测方面也有了一定的应用，相当一部分院校和科研单位，如清华大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学以及上海紫栅公司等，开展了一系列研究和工程应用[6，7l。
2000年，加拿大在Confederation大桥世界上跨在被冰覆盖的海洋上的最长桥中安装了一系列光纤布拉格光栅传感器对桥梁进行了健康监测，长期监测冰压力对桥梁墩柱的作用、温度影响、交通荷载以及风载下的振动情况。
在地下工程、采矿业等方面也开发许多针对性强的光纤光栅传感器_6J。德国的GFZ Potsdam开发了一种地下岩石挖掘过程中测量应变的光纤光栅传感器FBX地脚螺栓。这种新型的传感器是在一根玻璃纤维增强聚合物岩石地脚螺栓中埋人光纤光栅，用于探测岩石构成和岩石工程结构中的静态和动态应变。
在地下工程等方面也有一些应用。石家庄铁道学院的研究人员Ill J将光纤光栅温度传感器用于青藏铁路多年冻土区路基稳定性的长期监测，验证了光纤光栅传感器的测试精度和长期稳定性。2006年8月，哈尔滨工业大学的陈风晨等人在北京某已建高速公路上实地埋设了光纤光栅应变传感器，对沥青路面进行结构的应变场测试。北京地铁国贸站项目[13 J将光纤光栅传感器、光纤光栅一纤维复合筋(FI .0lFBG)应用到地铁车站的健康监测中，为地铁车站结构的理论研究和设计方法的完善打下牢固的基础。
光纤光栅传感器及其在土木工程中的发展应用
摘要：介绍了光纤光栅的传感技术及其封装方式，特别是采用FRP筋嵌入式封装光纤光栅传感器(OFBG)制成的FRPOFBG筋，并对光纤光栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。
关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测
0、引言
新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外界引起的温度、应力应变变化，具有线性程度高、重复性好等优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点 J：如测量精度高，抗干扰能力强，可在同一根光纤上制作多个光栅实现分布式测量，测量范围大，稳定性、重复性好，非传导性材料，耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，适合运用于恶劣环境中，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。
目前土木工程监测研究最多的项目之一是索力的监测。就目前FRP-OFBG传感筋在索力监测运用状况[17,183看，钢绞线锚索采用FRP一0 jG筋传感器进行受力监测的方式大体有两种：一种是直接增加FRP-OFBG筋法，在索体中，利用锚具内的环氧砂浆固定FRP-CIFBG筋的两端，或是使用夹具等将传感筋的两端与钢绞线绑在一起，使FRP-OFBG筋和钢绞线变形一致，组成自监测智能钢拉索;另一种是直接增加FRP-OFBG智能钢绞线法，用FRP-OFBG筋替换普通钢绞线的中丝得到智能钢绞线，在索体中部分采用智能钢绞线便可实现锚索的自监测。
1.2 光纤光栅的封装
1)基片式封装。将光纤光栅装在刻有小槽的基片上，通过基片将被测结构的应变传到光栅上，封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。
这种传感器结构简单，易于安装，但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低。
武汉理工大学光纤传感国家工业试验基地发展了多种形式的桥梁用光纤Bragg光栅传感器和光纤Bragg光栅解调器以及相应的监测系统，并构建了一套完整的光纤光栅传感器的埋设工艺，都取得了良好的经济和社会效益。
哈尔滨工业大学欧进萍院士及其课题组在国家863项目、国家自然科学基金等较多大项目的支持下，从2001年开始，采用光纤光栅传感器进行了山东东营黄河公路大桥、黑龙江呼兰河大桥等10余项桥梁工程的结构健康监测【10]。
4)嵌人式封装。这里特别介绍FRP-OFBG智能复合筋。FRP筋是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维增强塑料筋，在其制备过程中放人光纤光栅，便可得到FRP-OFBG智能复合筋。该复合筋目前研究得比较多，它保留了FRP良好的力学等性能，又具备光纤光栅的传感特性，而且大大提高了光纤光栅的应变测量量程，是光栅传感器较好的一种封装方式。
2、光纤光栅传感技术在土木工程中的发展应用
2.1 国外发展应用14,51993年，在加拿大卡尔加里附近的geddington Trail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一，18个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和碳纤维复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测。
1999年夏，在美国新墨西哥Las Cruces 10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。
光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文先介绍光纤光栅传感技术及其封装方式，并主要阐述光纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。
1、光纤光栅的传感技术特点及其封装
1.1 光纤光栅的传感技术特点光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。光纤光栅传感器的基本原理为：光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。
2)金属管式封装。管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。
3)夹持式封装。主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅，其标距长度可根据实际需要改变。此种传感器具有布设简单、可拆换、耐久性好、布线方便等优点，可作为桥梁、建筑等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面传感器。