基于新型外置光纤法布里-珀罗加速度计的桥梁振动监测

《Measurement》：Bridge vibration monitoring based on a novel extrinsic optic fiber Fabry–Perot accelerometer

　　

• 开发了一种带滤光准直器的新型串联EFPI加速度计，用于桥梁结构健康监测。• 通过波长分配实现EFPI和FBG传感器的混合级联，用于多参数结构监测。• 16米π型桥梁测试表明，该系统能够捕捉结构裂纹萌生的微振动信号。• 现场测试表明，EFPI加速度计的信噪比和精度均高于电学和FBG同类产品。• 超低插入损耗理论上支持多达30个EFPI传感器的级联。引言近年来，传感技术、数值模拟方法和损伤诊断技术的快速发展显著促进了结构健康监测（SHM）在桥梁工程中的广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。随着传感器技术的不断改善，基于振动的桥梁结构健康监测（BSHM）系统在工程界获得了广泛认可[5]、[6]。桥梁振动事件主要由人类活动、车辆通行以及结构裂纹的形成或扩展引起。监测这些振动有助于高效评估桥梁状态，这对于确保长期可靠性、耐久性和功能性能至关重要。这需要使用能够准确评估结构行为的先进传感器[7]、[8]、[9]。针对民用桥梁结构振动监测，已开展了大量案例研究，主要采用微机电系统（MEMS）振动传感器[10]、电学振动加速度计和光纤布拉格光栅（FBG）加速度计[11]。例如，Francesco等人[12]提出了一种用于BSHM的低功耗集成六电阻式MEMS振动传感器网络。在该系统中，六个MEMS加速度计被战略性地部署在桥梁的关键位置。研究表明，该系统实现了20μg/√Hz的噪声密度，并提供了±2 g的测量范围。所提出的配置能够可靠地提取桥梁结构的基本固有频率和模态特征。Magalh?es等人[13]在葡萄牙波尔图的一座混凝土拱桥上部署了动态监测系统，用于结构健康评估。该系统由四个电学加速度计和温度传感器组成。在为期两年的车辆交通动态监测过程中，他们研究了减少环境和运营因素对桥梁固有频率影响的方法。他们的研究还探讨了有效的损伤识别策略，为后续结构异常检测奠定了基础。除了电学传感技术外，FBG加速度计是桥梁监测的另一种关键技术选择。Kok-Sing Lim等人[14]在一座110米跨度的悬索桥上部署了七个悬臂梁FBG加速度计。桥梁结构的三个基本固有振动频率被成功识别，分别为1.15 Hz、1.54 Hz和3.17 Hz。I. Lipták等人[15]研究了用于识别和分析桥梁结构动态特性的FBG加速度计。通过使用适当的数学模型（滤波器）和频谱分析，他们的方法能够识别和表征桥梁的关键振动频率，并成功检测到桥梁的基本固有频率为1.42 Hz。然而，传统电学传感器和FBG加速度计面临几个关键挑战。例如，电学振动传感器难以实现高密度、多点部署，抗电磁干扰能力差，且监测成本高昂。虽然FBG传感器允许串行复用，但其固有的刚度限制了工作带宽并降低了灵敏度，使得实现弱信号的高精度振动监测变得困难[16]、[17]、[18]、[19]。另一方面，基于外Fabry-Pérot干涉仪（EFPI）的微小型加速度计在多个领域展示了显著的技术优势和应用潜力。EFPI加速度计具有高灵敏度、紧凑尺寸和宽工作带宽的特点，相比FBG加速度计具有性能优势。此外，EFPI加速度计对电磁干扰免疫，无需外部电源，且维护成本极低，使其在运行稳定性和成本效益方面优于传统电学传感器[20]、[21]。然而，EFPI加速度计难以串行复用。例如，2024年，华中科技大学的Qv等人[22]提出了一种EFPI加速度计，其灵敏度达到9.2 V/g，工作带宽为500 Hz，最低噪声水平为10 ng/√Hz。然而，在实际工程应用中，EFPI腔体暴露在空气中，导致显著的光功率损失，阻碍了传感器的串行复用。该研究仅提出了并行部署的概念图。在实际中，每个传感器都需要专用的声光调制器（AOM）和多通道PD进行并行解调，这大大增加了监测成本，严重限制了其在工程场景中的实际应用。目前通常需要采用多通道光电探测器（PD）的并行部署方案，显著增加了网络复杂性和解调成本，从根本上限制了其在工程应用中的使用[23]、[24]、[25]。本文提出了一种用于BSHM的串行可配置微小型EFPI加速度计。得益于专用滤光准直器（DFC），该传感器不仅能够在单通道内实现串行部署，还可以与FBG传感器在同一通道中级联，从而实现多参数同步监测。与依赖并行复用方案的传统EFPI传感器相比，所提出的方法显著降低了系统级监测成本。基于我们课题组先前的实验工作[26]，传感结构被微小型化，同时DFC组件也进行了同步优化。本研究展示了新开发的EFPI加速度计在16米跨度π形实验桥梁监测中的成功应用。与自主研发的FBG应变传感器协同工作，EFPI加速度计准确识别了桥梁断裂过程中产生的弱裂纹扩展信号。为了全面评估其性能，对EFPI加速度计、FBG加速度计和传统电学加速度计在车辆激励下的振动响应进行了比较。本研究为BSHM提供了一种创新的传感方法，兼具高灵敏度和低成本的优势。章节摘要EFPI加速度计的制造EFPI加速度计由两个平行的反射面构成谐振腔。当入射光在光纤端面发生部分反射时，透射分量穿过空气腔并被镀铝质量块第二次反射。两束反射光随后在光纤内干涉，形成双路干涉图案[27]。图1（a）和（b）说明了该干涉仪的工作原理以及基于光纤传感器的π形桥梁结构裂纹监测为了验证所提出的级联EFPI加速度计在捕捉结构损伤信号方面的性能，选择了一根π形测试梁作为实验平台。如图4（a）和（b）所示，展示了π形实验桥梁的现场监测照片和传感器布局示意图。该梁型在加载下表现出典型的裂纹萌生和扩展过程，使其成为评估传感器检测弱信号能力的理想候选对象。冯一桥的低频共振监测随后在中国陕西省西安市的冯一桥（一座总长526米的长跨径斜拉桥）上进行了一系列低频振动测试，如图8（a）所示。如图8（b）所示，本文提出的EFPI加速度计、用于桥梁监测的传统电学加速度计（EA）（灵敏度：800 mV/g）以及此前提出的FBG加速度计（工作带宽：0.1–100 Hz，灵敏度：804 pm/g）讨论根据先前的研究，用于桥梁结构健康监测的常用振动传感器，如FBG加速度计、压电加速度计、电容加速度计和MEMS加速度计，通常能够有效捕捉与结构损伤相关的中高频信号（通常为数百赫兹），而它们对桥梁固有频率的响应通常集中在低频范围（1–100 Hz）[28]、[29]。总而言之，结论本研究报道了自主开发的串行可连接EFPI加速度计在桥梁SHM工程案例中的成功应用。实验室校准结果表明，EFPI加速度计具有10×10×40 mm的紧凑尺寸、1–500 Hz的工作带宽和4.49 nm/g的灵敏度。通过在π形测试桥梁上的应力加载实验和冯一桥上的低频车辆诱发振动监测，验证了串行可配置EFPI加速度计的性能。作者贡献声明王怡琳：撰写—原稿、验证、软件、资源、项目管理、数据整理、概念化。舒涛：资源、资金获取、撰写—审阅与编辑。杨积程：方法学、资源、验证、撰写—审阅与编辑。纪浩哲：调查、撰写—原稿。陈丰怡：方法学、监督、撰写—原稿。袁润杰：验证、撰写—原稿。乔学广：概念化、资金获取。资金来源本研究得到地下资源光纤传感技术西安重点实验室的支持。利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报道的工作。王怡琳|舒涛|杨积程|纪浩哲|陈丰怡|袁润杰|乔学广|王若辉