以桥梁为代表的大型工程建设，在国民经济中的重要作用不言而喻。而大型工程的安全性、稳定性程度将直接影响大型工程的修建。因此，如何确保大型工程的安全性、稳定性要求是摆在工程设计人员、施工人员和科研人员面前的首要课题。
桥梁安全性、稳定性问题大体集中在如何有效提高桥梁承载能力以及如何有效延长建筑物的使用年限。近年来，随着光电传感技术的不断发展，桥梁的实时监测、健康自诊断、智能修复成为各国工程技术界竞相发展的重点，也成了有效监控和解决桥梁安全性与稳定性的有效手段。光纤传感器的使用，克服了传统领域的点式分布的监测方式的缺点（精度低、监测距离短、耐久性差），成了美国、日本、加拿大、瑞士等发达国家竞相争取发展的新技术。目前，我国研究的重点在于智能结构的开发、光纤传感器的埋设、系统信息的解译等。一座智能桥梁应当具有集成控制与分析功能的传感装置，除了基本的承载功能外，其结构还应当如同生物系统一样，在外部环境作用下，能够做出智能的调整或诊断出自身的状态。上图表示了这样一个使用光纤智能传感技术的典型系统。待测信息，即结构状态的改变情况，使传感器产生光信号，并沿光纤传送到信号处理仪器进行解调并加以分析。所得的信息既可以作为控制结构状态的依据，也可以用来对结构的管理现状进行评价。智能系统能够保证对结构状态做出一个自动而快速的反应，并且能够对结构的内在状态做出评估，而这是用其他手段所难以实现的。要想修建智能桥梁就需要拥有对各种技术环节之间关系的理解。首先，一个内嵌的或是附属的传感器必须与基体相适应。比如，在混凝土中埋设的光纤传感器的性能取决于光纤涂层的性能，对金属和FRP（纤维加劲塑料）复合材料也应当有相应的考虑；其次，区分不同的传感模式有助于系统的分析。目前可供选择的传感模式主要有3种：①单点式监测，②定点列阵式监测，③全程分布式监测。定点监测只能够解决某个空间分量或局部响应的问题，如跨中应变的监测问题；而分布式传感技术则提供了一种对待测参数进行全面监测的方法，如温度场、应力场问题。最后，还会涉及一些跨学科的课题，包括施工技术、系统识别、数据采集、信息技术和现场测试等。传感是将一个待测物理量转换成一个可识别信息的过程。光纤传感系统的特征取决于外部荷载、传感器的设计、信号的解调，以及对智能结构的系统集成等因素。所采用的光纤作为整体系统的一个重要组成部分，将会对以上大多因素产生影响。而对一个特定的工程而言，采用光纤传感系统而非其他传感系统的原因也取决于以上的一个或多个因素。在结构工程领域中，结构的应变量是最令人关注的重要参数之一。由于荷载、温度以及其他因素 所造成的结构尺度的变化同结构不同的性能、健康状况以及安全度密切相关，因此光纤应变传感器必须将结构的应变信息转换为某种光波物理参数的变化量。在目前看来，同时采用相位变化与干涉测量方法就能够有效地解决基于光波长的位移与变形测量问题。值得一提的是，基于法布里·珀罗（Fabry2 Perot）干涉型的光纤传感器是几种比较成功的光纤传感器中的一种。它们可以直接用来进行定点监测，并且不像马赫·曾德耳（Mach2Zehnder）干涉型传感器那样需要的参考臂。2.1法布里珀罗（Fabry2Perot）光纤传感器按照传感器的作用与设计原理可将法布里●珀罗（以下简称 FP）光纤传感器划分为内置式与外置式两种。内置式传感器是指传感作用只发生在光纤内部，内置腔是将沿光纤的部分反射界面进行耦合而得到的。外置式传感器的传感作用发生在光纤之外，而光纤在此的作用只是进行光信号的传输。制作外置式内置传感器需要将光纤切开并在末端分离出裸纤。内置式FP光纤传感器的测量标距较大，而外置式FP光纤传感器的测量标距较小。所得的应变测量值是沿整个标距的一个综合值，因此，对于点式测量而言，采用较短的标距较为理想，故我们考虑采用外置式FP。
上图表示了一个外置式的FP光纤传感器。在光纤的两个端面间，光线发生了多次反射。随着外置腔距离的变化，反射光的总体干涉信号也随之而发生变化。2根光纤的末端在1根毛细玻璃管内对齐，而毛细玻璃管则被固定在待测应变的材料表面。当材料与固定在其表面的毛细管一同产生应变后，两个反射面间的光相位将产生周期性的变化。外置式的FP干涉型（以下简称 EFPI）传感器具有一些值得称道的特点。上图还表示了一个使用反射信号的单端 EFPI传感器，在光纤所传输的光信号中含有应变的信息。传感器在横向几乎没有耦合，因而能够有效地测定出应变的轴向分量。在光纤端面可以很容易地加上涂层，并使之产生反射信号，从而改变其反射系数。测量的标距是由毛细管的长度而非其直径所确定的，通常限制毛细管的长度小于1cm。光纤的传输路径也许会很长，但是反射信号对于环境的变化并不敏感，而这些环境变化却会使其他的传感系统产生噪声。将这种传感器粘贴在热膨胀系数已知的材料表面，还能够进行温度测量。对信号的解析有不同层次的要求。最基本的信号处理是从单个传感器中解调出应变信息；更进一步的信号处理是对传感器网络进行应变信息的解调，并做出进一步的分析。采用多台专用设备，可以对传感器网络中的每一个传感器同时进行信号处理；也可以只用1台设备，依次连接传感器网络中的每一个传感器并进行信号处理。另外，光学上的波分复用技术还能够降低对波长敏感光纤的耦合成本。是否采用高级分析技术取决于应用上的需求。EFPI所得到的应变信号具有周期性，在通常的应变范围内可能存在多个循环。为了从这种高度非线性的信号中提取出应变的信息，可以采取不同的解调技术。一种常用的方法是根据几种不同波长的信息来确定出毛细管的真实位移，并确定出相应的真实应变值。上图给出了这类仪器的工作原理示意图。图中一束宽带光使传感器产生扰动，然后通过耦合器和光波解调器将具有不同波长的光引入一个光探测器内。通过复合的干涉值可以唯一地确定出应变值。为了实现智能结构，需要对传感技术提出不同标准的解决方案。集成的原则应当是：所加入的传感系统不会影响到结构的工作情况，外界环境不致严重削弱传感信号，解调信号必须能够随时获得，而维持系统的费用必须小于采用检测方法所产生的费用。使用光纤能够满足以上集成原则的前两个方面，它的优势包括尺寸小、质量轻、损耗小、环境因素（如腐蚀、温度、振动等）影响小、抗电磁干扰等。通过室内实验与现场测试表明，在应用于钢筋混凝土结构中的光纤传感器能够在结构产生巨大的破坏前后，都能够良好地进行工作。所采用的测试仪器必须满足以上集成原则的后两个方面，即在性能与成本间必须做出平衡，同时还需要考虑传感器的数量与布置方式、测试方案以及信号分析的复杂程度。在桥梁中应用具有高耐久性的光纤传感设备能够实现性能监测、健康诊断和预警的功能。以下的两个例子都使用了EFPI应变传感网络来实现对结构长期性能的定量评估。在监测现场采用了传感器与接线盒等器件，在测试期间，应用相关设备在现场进行对传感器的数据采集与处理。最初的测试结果给出了结构诊断所需的基准数据，而后周期性的测试工作还需要中断原有的交通状况或对其做出某些调整。关于智能复合材料桥梁的研究是一个综合性的研究项目，包括对一座跨度为9m的复合材料桥梁的设计、分析、建造与测试工作，同时还开展了一些相关的测试工作。该桥完全由FRP复合材料管组装而成。这些正方形管的截面边长为76mm，分别采用碳纤维或玻璃纤维予以加劲。桥上的工字形梁构件由7个重叠的管状层所组成。采用这种全FRP材料建造的方式将使结构的使用寿命得以延长，并且由于全部使用标准的箱形管状单元，建造结构所需的材料成本也相对较低。通过对成本较高同时强度也较高的碳纤维管与成本较低同时强度也较低的玻璃纤维管进行合理地匹配后，这座装配式桥梁的强度与刚度要求以及成本需求都得到了很好的满足。该结构的原型为美国密苏里州的第一座全FRF 桥梁，是密苏里大学罗拉校区（UMR）的人行道的一部分（该桥已具备承受高速公路荷载的能力）。该研究项目的目标在于开发一种新型的采用FRP复合材料的方法，以延长高速公路桥梁的使用寿命，并建立一个长期的结构性能与健康状况的监测系统，作为该技术工业化的一个范例。该桥最重要的一个特点是采用了光纤应变传感系统。研究内容包括传感系统的安装规则、传感器的可靠性以及传感器的寿命等问题。传感器被埋设在最重要的承载层，即最顶层与最底层的 CFRP 管 内，以监测其应变情况。首先分别对1个4层管的复合构件与1个满标度的7层管的工字形梁构件进行加载破坏试验，以验证构件的设计强度，并考察其破坏特征。在试验中同时使用光纤传感器与电阻应变片测量应变。其次采用载重后的垃圾车对实桥进行设计荷载下的现场加载试验。这种试验被按一定的周期重复进行，以记录桥梁的长期性能。然后在实验室中进行不同荷载条件下的室内实验，并对相应的应变信号进行分析。最后，这座配备着监测设备的桥梁被作为开发远程监测技术的基地，监测数据将通过1条专用的光纤数据线（光缆）接入UMR的应用光学实验室。光纤传感器应埋入管状结构表面的小凹槽中，以免在埋设过程中被碰坏，同时还应使传感器远离两管间的界面。因为每个传感器只应当测量某一个管的应变情况，而两管间的界面效应会使测试结果变得复杂。采用丙酮清洗凹槽后，再进行光纤的埋设。从传感器中接出的光纤沿管间界面被引至桥端，随后，在粘贴下一层复合材料管时，用环氧层覆盖传感器与光纤。在一个桥面板的拐角处，还安装了光纤线路的接线盒。光纤的末端被引入垂直于复合材料管的接线盒内。智能复合材料桥梁中光纤传感器的性能在该座智能复合材料桥梁工程中，EFPI传感器网络表现出了良好的性能，主要表现为实现了对结构破坏状况的监测，并且与其他传感器的测量结果相一致，同时对小荷载也具有敏感性。在一个4层复合管的构件试验中，在经历了整个加载过程并发生了结构破坏后，EFPI传感器仍然能够保证工作。而在工字形梁的荷载试验中，EFPI传感器与电阻应变片的测量结果表现出了极好的一致性。在桥梁的现场试验中，EFPI传感器的测量结果与有限元方法计算结果相比较，存在4%的差异。最后，EFPI传感器还记录了桥梁在设计荷载以内所表现出的弹性性能。下图给出了当一辆福特F150卡车通过桥梁顶层时的跨中应变情况。该卡车的前轴重为其总重142.4 kN的8.4%。值得注意的是，试验前后结构在零荷载下的应变相同。当卡车的重心位于跨中时，该传感器处产生最大的压应变。采用更重的卡车时，应变测量结果表明，荷载与应变间存在着线性关系。所埋设的光纤传感器验证了桥梁在正常承载状态下的弹性性能。高架桥修复应用：
位于美国中南密苏里州的44号州际高速公路（244）在最近的一次重大事故后进行了修复。该桥梁为钢筋混凝土结构，隶属于密苏里交通部管辖。一次车辆的撞击严重地损坏了桥墩的中部以及与桥墩相连的盖梁。修复工作包括采用CFRP布加固受损的桥墩与盖梁，并在裂缝处灌注环氧树脂。修复的研究工作的一个方面就是验证CFRP布加固对结构承载能力的提高。非常明显，与全面更换该跨桥梁相比，有效的修复方案更加经济，同时对结构的破坏性也更小。然而，人们非常关注修复经历较长时间后结构可能产生的劣化状况。采用传统的测试及检测方法需要耗费相当多的人力、物力与时间。因此，最终确定将光纤传感设备作为一种低成本高效率的手段来验证该桥梁的安全性及承载能力。为研究所设计的现场系统被用来监测修复后的盖梁与CFRP布的劣化情况。上图给出了修复后的桥墩、盖梁以及CFRP加固的情况。所用的光纤监测设备的目的在于：首先监测盖梁上可能的裂缝开展情况，其次监测 CFRP布加固后可能产生的剥离状况，最后. 记录试验荷载作用下应变值的变化量。如上图所示，所有的传感器都被安装在盖梁上。盖梁上有3条较大的裂缝，每条裂缝下都粘贴了一个光纤传感器。这些裂缝的延伸将使应变值产生较大的变化。在盖梁下部粘贴了1层CFRP布，该处将产生最大的弯曲应变。在CFRP布内，故意预留1 个直径为12cm的圆形气泡，以降低加固的效果。传感器被直接贴在CFRP布的剥离处，并对该剥离处的扩展情况进行监测。最后，通过一次标准的荷载试验，将全部的5个传感器所采集的应变值作为结构的健康指数。这些基本参数的变化量将反映出桥梁承载能力的降低情况。传感器的布置由表面处理以及光纤线路引入接线盒两部分组成。采用环氧树脂粘贴传感器，并将光纤安装就位。传感器与光纤上都用嵌缝材料覆盖，以避免环境对它们所造成的损害。同时，安装在混凝土表明的传感器被埋入小槽内，以避免试验中所造成的损害。盖梁上的接线盒被加以密封，以防止不必要的接触。在采集基准值的试验测试中，所有的传感器都工作良好。采用耐久的传感设备，可以实现对桥梁的结构状态、几何形态、环境状况以及健康特征的长期评估，在此基础上，有望实现智能桥梁的目标。在更高的安全性与性能保证的基础上，成本对性能的优化，新材料与新技术的应用将得以实现。那些结构上存在缺陷或功能减退的桥梁（超期服役桥梁等），对这个多学科的领域提出了更加迫切的需求。基于光纤传感技术的设备能够很好地满足土木工程的应用需要，光纤传感设备能够对传统传感器难以布置的位置进行布线和监测，并将监测信息沿光纤进行远距离传输。在提供可靠的、高精度的监测信息的同时，光纤不会扰动结构，并且能够适应极端的环境状况。可以预见，在未来的大型工程结构监测领域、健康诊断领域、智能结构领域，光纤传感器将以不可比拟的优势独占鳌头。
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