與橋梁相比，人相對渺小；當天災發生時，若要靠人力檢測橋梁的安全，可以說是既困難又危險。為此，國研院國家地震工程研究中心研發一套監測系統，能感知全橋是否穩定安全。這套系統的原理很簡單，是利用「光纖傳遞」與「顏色區別」，就可以判讀橋梁是否有「形狀改變」之異常現象。接下來將和大家說明光纖傳輸的原理，以及如何應用在橋梁監測上。
「橋梁安全光纖監測系統」研發目的
交通建設是經濟活動的動脈，橋梁又可以說是交通建設中的樞鈕。我們每天上班上學，也都可能需要通過橋梁才能到達目的地（圖1與圖2）。
圖1：形狀複雜的交通道路；圖2：上學時常經過橋梁到達學校。（圖片來源：國震中心）台灣地震、颱風、洪災發生頻繁，天災時常威脅橋梁和用路人的安全（圖3）。因此，國震中心研發了一項監測系統，不需要仰仗人力目視，就能自動監視「長距離多跨數」橋梁的安全狀態。此監測系統，能協助政府管理橋梁安全，及連接交通號誌通告用路人關於橋梁安全狀況（圖4）。以下本文將說明這系統的工作原理。
圖3：洪水沖毀橋樑；圖4：監測系統連接交通號誌，即時通告用路人橋梁安全狀況。（圖片來源：國震中心）
圖5：光的全反射現象與光導纖維。（圖片來源：維基百科）光纖傳輸原理
光纖是光導玻璃纖維的簡稱，是傳輸光能的材料。光的傳輸係利用「光的全反射原理」，如圖5。光纖是諾貝爾物理獎得主高錕先生於1966年提出用玻璃代替銅線，利用清徹透明的玻璃，運用光來傳輸訊息。
圖6：三菱鏡分解太陽光。（圖片來源：維基百科）太陽光光譜
利用三菱鏡，能將太陽光分解成彩虹光譜（圖6），包含紅、橙、黃、綠、青、藍、紫色的光。
光纖光柵是一面選擇顏色的鏡子
光纖光柵可視為兩種不同折射率n的玻璃材貭，以特定的間距厚度，排列而成 (圖7)，形成一個過濾光波濾的「過濾器」，使特定波長的光反射。而其它波長的光則不受太大影響地繼續向前傳輸，如圖8示。
圖7：光纖光柵訊號形狀會向右偏移(受拉) 或向左偏移（受壓）。（圖片來源：國震中心）
圖8：輸入各種不同波長光波（例如白訊光），各光柵能將特定波長光波折返。（圖片來源：國震中心）以其中的紅光柵為例，當紅光柵受拉時，光柵微微變長，反射光由紅色變為粉紅色；當紅光柵受壓時，光柵微微變短，反射光由紅色變為深紅色，示意如圖9。反過來說，由波長的改變量，我們可知光柵受拉或受壓，其力量是多少。因此，我們可利用光柵來製作儀器。
圖9：光柵「受拉」或「受壓」，折返的光波長改變。（圖片來源：國震中心）
圖10：接頭製作，作為外力導入光柵的媒介。（圖片來源：國震中心）光纖沉陷計的原理
光纖光柵（簡稱FBG）的兩端，以熱收縮套管夾住光纖，熱收縮套管作為外力導入光柵的媒介，如圖10示意。
圖11是光纖光柵結合連「通管原理」與「浮力原理」，構成光纖沉陷計。當右側水筒上升，左側水筒液面上升，左側的FBG承受的拉力因而減小，折返的光波長變短；反之，當右側水筒下降時，左側水筒液面下降，左側的FBG承受的拉力因而增大，折返的光波長變長。此原理可幫助監測橋墩是否有沉陷或傾斜，如圖12示。
圖11： 光纖沈陷計。（圖片來源：國震中心）
圖12： 光纖沈陷計監測橋柱和橋面高度相對變化。（圖片來源：國震中心）應用案例：橋梁垂直變位監測
當重車經過或地震發生，在沒有發生結構破壞的情況下，橋梁高程線形會暫時改變，稱為彈性變形，隨後恢復原高程線形。若強烈地震擾動造成橋柱破壞歪斜或土壤液化橋墩沈陷，或是河床沖刷橋柱歪斜，高程線形將永久改變。高程線形是判讀橋梁是否安全的基本關鍵。光纖沈陷計能即時監測橋梁高程線形，示如圖13與圖14。
圖13：台北市大直橋車流擾動，橋梁高度線形即時監測。（圖片來源：國震中心）
圖14：蘇花改白米橋，當10部重車置於中跨時，橋梁因而產生形變。（圖片來源：國震中心）結論
本文說明為什麼光纖能監測橋梁安全。文中介紹如何結合材料與物理原理：光纖、光柵、光波原理、連通管原理、浮力原理，製作光纖沉陷計。這套監測系統未來將可協助橋梁養管機關，監控「長距離多跨數」橋梁，提升大眾用路安全。
