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光纤传感技术概述

摘要：光纤传感技术是一种比较先进的测试技术，但其在岩土工程上的应用出于起步阶段，本文分析了光纤传感技术的特点及其原理，并针对其在岩土工程上的应用范围，并针对岩土工程中的应用提出了注意事项。并对光纤传感技术的发展应用进行展望。

关键词：光纤传感技术、岩土工程测试、传感器

1研究背景

光纤传感技术始于20世纪70年代，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。从杭州物联网暨传感技术应用论坛了解到，光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家,在军事和民用领域的应用方面进展都十分迅速。1979年,美国国家航空航天局(NASA)首创机敏蒙皮研究,将光纤传感器埋人复合材料结构进行状态监测;1989年,美国Brownuniversity的A.Mendez等人首先提出了把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中,并描述了这一研究领域在工程应用中的一些基本设想;加拿大的Rotest公司将白光法布里一拍罗光纤传感器用于桥梁结构中的的应力、应变监测,用于评价结构损伤程度、裂缝的发生与发展等,取得较好的测试结果。此外,包括瑞士联邦工学院、美国伊利诺斯州芝加哥大学、加拿大握太华大学、日本N竹公司等国外知名科研机构和公司在光纤传感监测系统的研发和应用方面取得了一系列研究成果[1]。

国内方面,重庆大学智能结构研究中心于1992年率先开始进行光纤传感技术在结构工程中的研究,黄尚廉院士领导的课题组对工程结构健康监测领域的几种光纤传感技术进行了深人的理论和实验研究,取得了显著成果;哈尔滨工业大学欧进萍院士领导的课题组对光纤光栅传感技术进行了卓有成效的研究与应用工作,针对光纤光栅传感器封装和光纤光栅传感技术在桥梁结构健康监测中的应用进行了较深入细致的研究;香港理工大学研发了各种类型温度和应变同时监测的光纤光栅传感器和光纤光栅温度传感器,并将其应用于桥梁健康监测;四川大学的刘浩吾等对分布式光纤传感技术在大坝、桥梁裂缝和边坡变形等监测中的应用进行了大量的试验和应用研究;三峡大学蔡德所等进行了混凝土面板堆石坝的面板裂缝、渗漏和温度场的分布式光纤传感技术监测[2]。

2光纤传感技术的特点

目前世界上已开发出的光纤传感器种类不胜枚举,诸如应变、加速度、压力、振动、水声、温度、电流、磁场、核辐射、气体组分等等物理量都实现了不同性能的光纤传感,新的传感原理及应用不断涌现。但真正适合应用于岩土工程中的光纤检测技术却是很有限的,因它需满足以下要求:

高精度:随着科学技术的发展,人们对岩土工程检测精度的要求越来越高。

长距离:现代的大型或超大型结构通常为数公里到数十公里(如三峡工程),这就要求能实现长距离检测与信号传输。

分布式:传统的点式测量方法,工作量大,由于布点的随意性,最危险的地方可能被漏检。增加检测点数,虽然提高了结果的可靠性,但工作量大为增加,因而需要一种线性测量方法。

长期性:传统的岩土工程检测方法一般是采用应变片检测技术。应变片易受潮失效,而岩土工程中地下水是一个不可避免的因素;光纤的纤芯材料是石英,外加高分子被覆层,本身耐腐蚀性强,也不怕地下水的影响,有利于长期检测。

光纤监测技术伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来。与传统的监测技术相比，光纤监测技术具有一系列独特的优点[3]:

分布式：自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏榆的弊端，提高监测成功率。

长距离：现代的大型或超大型结构通常为数千米到数十千米(如地铁)，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，而通过铺设光纤，光纤既作为传感体又作为传输体就可以实现长距离、全方位监测和实时连续控测。

耐久性：传统的岩土工程监测一般采用应变片监测技术，应变片易受潮湿失效，不能适应一些大型工程长期监测的需要。光纤的主要材料是石英玻璃，与金属传感器相比具有更大的耐久性。

抗干扰：光纤是非金属、绝缘材料，避免了电磁、雷电等干扰，况且电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波无于扰。此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤。

轻细柔韧：光纤的这一特性，使它在埋入混凝土的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设。BOTDR(布里渊光时域反射计)技术的应用和研发，将对现有的传统监测技术产生重要影响，对我国各类重大基础