德国部分桥梁已相当陈旧，其设计无法承受当今交通流量带来的不断增加的荷载。目前，相关负责人面临的任务是，为管理此类现有结构找到经济上合理的解决方案，以便在确保安全的前提下尽可能延长其使用寿命。
基于光纤的监测方法为此提供了良好的前提条件。斯图加特大学与 Schömig-Plan 工程公司合作，通过实验室和现场试验，研究了将连续应变测量光纤应用于裂缝检测和监测的永久性监测方案；该方案已在高速公路桥上按照实际条件安装，并对其性能进行了测试，结果令人满意。
基于瑞利散射的高分辨率连续光纤传感器（分布式光纤传感，DFOS）的最新进展表明，只要安装得当，便能够对关键结构区域进行近乎全面的监测。 DFOS 由一根光纤和一个带激光光源的读出单元（询问器）组成。该传感器采用单模（SM）玻璃光纤，类似于电信领域用于长距离传输的光纤。通过测量瑞利散射，该传感器可在长达 50 米的传感器长度范围内，以约 1 毫米的横向分辨率实现应变分布的连续检测和定位。
瑞利传感原理
在瑞利传感中，激光被耦合到光纤中，随后通过光学测量方法以高分辨率扫描由光纤材料背向散射的瑞利光。 由此在光纤沿线形成一种特征图案，称为“指纹”，每个区段的指纹各不相同，但极其稳定且可重复。这是由于玻璃的非晶结构沿光纤呈统计分布所致。当发生外部应变变化时，该指纹会明显向外偏移或向内压缩，从而将局部瑞利图案的变化转换为应变。
由于光纤的每个点都对这种效应敏感，因此整根光纤沿其全长都起到了分布式传感器的作用。通过耦合多达八个传感器，目前可实现400米测量长度，测量速率为2.5赫兹。这些光纤测量系统对电磁干扰或其他电气干扰也不敏感。
从实验室测试到田间试验
目前，DFOS主要用于监测钻孔桩或隧道衬砌。该技术尚未在桥梁的永久监测中得到广泛应用。不过，未来这一情况可能会发生变化：斯图加特大学与Schömig-Plan Ingenieurgesellschaft公司紧密合作，首次通过实验室测试研究了安装后贴附于表面的应变测量电缆的行为表现。
研究重点在于在以下三方面寻求平衡：保护光纤的施工方法的可靠性、测量结果的有效性，以及在结构上安装的可行性。随后，在为期四周的现场试验中，针对高速公路桥梁，在真实的环境条件和交通荷载下，对所研究的各种施工方案和测量技术进行了测试（图1）。
附着在混凝土表面的光纤的局部应变测量质量，在很大程度上取决于应变的传递：从载体材料到粘合剂，从粘合剂到外涂层，穿过涂层的中间层，以及从内涂层到传感光纤本身。同时，传感光纤的涂层还必须提供必要的保护，因此必须足够坚固。 例如，市售的光纤通常带有丙烯酸和聚酰胺涂层，或者在更耐用的版本中，带有聚乙烯（PE）或钢制护套。
实际上，为了防止光纤断裂，适度的应变减小是可取的。通过选择肖氏硬度较低的粘合剂（例如永久弹性灌封胶），也可以实现光纤芯部应变的减小。为了确定实际的局部应变，必须结合具体应用方法对应变测量电缆进行校准。这可确保测量结果符合适用的DIN/ISO标准，具有可追溯性。
在预应力混凝土公路桥上的安装
根据实验室测试结果，选定了带乙烯-丙烯涂层的应变测量电缆（V1）和带海特雷尔-丙烯酸酯涂层的单模光纤（SMF-28）作为现场试验的传感器。 为了在预应力混凝土公路桥为期四周的测试期间保护这些传感器免受环境影响、人为破坏以及因粘结不牢导致的脱落，将其铺设在混凝土保护层的凹槽中（见图2和图3）。这样既避免了在结构上进行繁琐的表面处理，也省去了在粘合剂固化期间对电缆进行额外加固的步骤。
由于所选高速公路桥梁的伸缩缝已处于监测之中，因此事先确定了一个存在裂缝且裂缝位移情况已知的区域，用于测试应变测量电缆的适用性。总共安装了四根长度均为约25米的电缆，以环形方式横跨伸缩缝，用于裂缝监测。
为了检查交通荷载和一般应变行为的影响，应变测量缆索还沿梁边直线铺设至跨中。缆索的未粘结部分还被额外安装并固定在上部结构上，以测试传感器在长达50米的大跨度条件下的数据采集量和功能性。
为了验证光纤应变测量结果，在伸缩缝的高度方向上错开安装了位移传感器。 测量过程中还考虑了温度补偿因素。随后，光纤读出系统将来自应变测量电缆的测量数据传输至工作站。在此，数据经过持续的清理、评估并存储在文件中。观察实时测量数据可以发现，例如在电缆直线铺设的区域，每当重型车辆通过桥梁时，测量曲线都会出现上升和下降（图5）。
结构监测质量更上一层楼
现场测试取得了积极成果。测试表明，连续光纤测量技术适用于关键桥梁的长期监测。目前，唯一剩下的挑战在于如何管理连续测量产生的海量数据——相关工作正在进行中。
此外，计划通过添加预警系统来扩展自动数据评估功能，目前正在为对更多现有桥梁进行监测做准备。现场测试还表明，这种创新的监测方法可成功应用于结构工程的其他领域，例如建筑施工或精密壳体结构。这标志着结构健康监测质量的显著提升。
