光纖傳感器的工程應(yīng)用及開展趨勢(shì)摘要：對(duì)光纖傳感器的應(yīng)用概況進(jìn)展了詳細(xì)綜述，總結(jié)比擬了幾種成熟的光纖傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)隧道的詳細(xì)應(yīng)用，提出了一套點(diǎn)面結(jié)合的綜合技術(shù)解決方案。指出了目前光纖傳感器在工程應(yīng)用上急需解決的一些問題及其開展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：光纖傳感器；光纖光柵；平安監(jiān)測一．引言近年來公路交通根底建立快速開展，隧道和橋梁工程的建立規(guī)模大，環(huán)境條件困難，建立速度快，所以對(duì)其長期運(yùn)行的平安性必需進(jìn)展在線監(jiān)測，才能有效預(yù)防平安事故的發(fā)生，幸免造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。公路隧道和橋梁的地質(zhì)災(zāi)難不僅影響公路交通的平安，造成生命和財(cái)產(chǎn)的損失，而且影響經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定開展。公路隧道和橋梁發(fā)生的災(zāi)難主要包括隧道局部的坍塌、滲漏以及火災(zāi)，橋梁局部裂縫、倒塌等。傳感技術(shù)是這些工程平安監(jiān)測的根底和支柱。而隨著工程難度和環(huán)境條件日趨困難，傳統(tǒng)的傳感技術(shù)已愈來愈顯示出它的局限性，如抗干擾實(shí)力和抗惡劣環(huán)境實(shí)力差，長期穩(wěn)定性差，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場非電、大容量、遠(yuǎn)程分布式、數(shù)字化監(jiān)測等。光纖傳感技術(shù)正是在這種背景下，自20世紀(jì)70年頭初誕生以來，就受到了世界范圍內(nèi)的廣泛重視，并取得了持續(xù)和快速的開展，成為這些大型工程平安監(jiān)測的首選傳感器。因此，近年來光纖傳感器慢慢的代替了電阻應(yīng)變片傳感器，在大型土木工程中獲得了廣泛的應(yīng)用[1-4]。二．應(yīng)用和開展概況1989年美國布朗高校的Mendez等人[5]首先提出了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土構(gòu)造和建筑檢測的可能性。之后，美國、加拿大、英國、德國、日本、瑞士等國，紛紛將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁等建筑物的平安監(jiān)測。加拿大卡爾加旁邊的BeddingtonTrail大橋是最早運(yùn)用光纖光柵傳感器進(jìn)展測量的橋梁之一，16個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增加桿和炭纖復(fù)合材料筋上,對(duì)橋梁構(gòu)造進(jìn)展長期監(jiān)測。1999年夏,在美國新墨西哥LasCruces10號(hào)州際高速公路的一座鋼構(gòu)造橋梁上，安裝了120個(gè)光纖光柵傳感器，締造了當(dāng)時(shí)在一座橋梁上運(yùn)用光纖光柵傳感器最多的紀(jì)錄。德國的GFZPotsdam開發(fā)的光纖光柵應(yīng)變傳感器用于探測巖石構(gòu)成和巖石工程(包括隧道、洞窟、坑道、深層地基)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變，開發(fā)的光纖光柵地震成像系統(tǒng)用于地下煤礦坑道的平安監(jiān)測等等。歐洲的STABILOS準(zhǔn)備中開發(fā)的光纖光柵傳感系統(tǒng)用于對(duì)瑞士Mont-Terri隧道和礦井主梁的長期靜態(tài)位移監(jiān)測等。近年來，以加拿大渥太華高校和瑞士聯(lián)邦工學(xué)院為代表的分布式布里淵光纖傳感技術(shù)(BOTDA/BOTDR)成為探究的熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油管道、市政工程、電力電線等平安在線監(jiān)測。90年頭初，我國起先了光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用探究。清華高校、同濟(jì)高校、重慶高校、哈爾濱工業(yè)高校、武漢理工高校等院校已對(duì)光纖光柵傳感器應(yīng)用于橋梁檢測進(jìn)展了大量探究，并進(jìn)展了一些工程應(yīng)用，取得了較好的效果。而且，武漢理工高校在光纖光柵解調(diào)儀的研發(fā)上取得了很大成功[6-8]，主要技術(shù)參數(shù)到達(dá)國際同類產(chǎn)品的水平。2003年6月，同濟(jì)高校主持的盧浦大橋安康檢測工程中，接受了光纖光柵傳感器，用于檢測大橋在各種狀況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變更狀況。該項(xiàng)成果還在東海大橋構(gòu)造安康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了表達(dá)[9]。南京高校主要對(duì)布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)的工程應(yīng)用進(jìn)展了大量的工作，在玄武湖隧道監(jiān)測工程中取得了較好的效果。石家莊鐵道學(xué)院大型構(gòu)造安康診斷和限制探究所在山西小溝特大橋安康監(jiān)測中，運(yùn)用FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測大橋的受力狀況，并結(jié)合小溝橋自身特點(diǎn),接受模態(tài)動(dòng)能法,即選擇振幅較大的點(diǎn)或者模態(tài)動(dòng)能較大的點(diǎn)來布設(shè)傳感器，共布設(shè)73個(gè)FBG應(yīng)變傳感器，到達(dá)良好的監(jiān)測效果[10]。中鐵隧道集團(tuán)接受光纖布喇格光柵傳感技術(shù)對(duì)廣州地鐵五號(hào)線小北站暗挖區(qū)間隧道進(jìn)展了監(jiān)測探究,包括監(jiān)測設(shè)備比選、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器封裝及愛惜、數(shù)據(jù)處理和分析。現(xiàn)場每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)計(jì)鋪設(shè)6個(gè)FBG鋼筋應(yīng)力計(jì)傳感器、2個(gè)FBG混凝土應(yīng)變計(jì)和1個(gè)FBG溫度傳感器，全部傳感器只敷設(shè)在拱頂和邊墻上。探究說明FBG傳感技術(shù)用于地下工程的監(jiān)測特別可行,為FBG傳感技術(shù)用于地下工程的監(jiān)測供應(yīng)重要參考[11]。北京科技高校和昆明理工高校以昆明白泥井3號(hào)隧道為實(shí)例，提出FBG傳感器在隧道內(nèi)的鋪設(shè)方案及溫度補(bǔ)償技術(shù)。FBG監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋隧道的一段，共選取10個(gè)斷面按“Ω型”布置，進(jìn)展繞拱變形監(jiān)測，監(jiān)測線路接受全面接著方法。經(jīng)過對(duì)隧道進(jìn)展8個(gè)月的定期監(jiān)測，分析結(jié)果說明，F(xiàn)BG可精確地測出隧道的應(yīng)變分布，將其應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測中是可行和有效的，驗(yàn)證FBG監(jiān)測系統(tǒng)的牢靠性。中國計(jì)量學(xué)院主要研發(fā)喇曼光時(shí)域反射〔ROTDR〕技術(shù)，目前產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)多家單位應(yīng)用，主要性能指標(biāo)到達(dá)國際先進(jìn)水平。三．幾種主要的光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于工程領(lǐng)域的光纖傳感技術(shù)主要有光纖光柵〔FBG〕、瑞利散射光時(shí)域反射〔OTDR〕和喇曼光時(shí)域反射〔ROTDR〕、布里淵光時(shí)域反射〔BOTDR〕或布里淵光時(shí)域分析〔BOTDA〕。各種技術(shù)的性能特點(diǎn)的比擬如表1所示。表1幾種光纖傳感技術(shù)的性能特點(diǎn)傳感技術(shù)FBG瑞利OTDRROTDRBOTDR/BOTDA監(jiān)測物理量應(yīng)變、溫度大應(yīng)變溫度應(yīng)變、溫度精度1με，0.10℃很低1~20℃30με，3~50℃測量距離1~10km10~30km10~50km10~80km測點(diǎn)數(shù)數(shù)百點(diǎn)分布式*分布式*分布式*位置辨別率點(diǎn)間距1m1~5m1~5m測量時(shí)間小于1秒1分鐘1~2分鐘1~2分鐘價(jià)格傳感器較貴，檢測儀較貴光纜廉價(jià)，檢測儀廉價(jià)光纜廉價(jià)，檢測儀較貴光纜廉價(jià)，檢測儀昂貴優(yōu)點(diǎn)精度高價(jià)格低分布式分布式缺點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)有限監(jiān)測大應(yīng)變僅監(jiān)測溫度系統(tǒng)昂貴每種光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)不同，適用于不同的監(jiān)測對(duì)象。FBG技術(shù)主要進(jìn)展點(diǎn)式高精度監(jiān)測,具有高速實(shí)時(shí)監(jiān)測的性能,適用于橋梁、隧道的重點(diǎn)部位的監(jiān)測，本錢適中，但是其監(jiān)測點(diǎn)數(shù)有限并存在盲區(qū)。瑞利OTDR技術(shù)檢測應(yīng)變的精度很低，本錢低，可實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測，適用于大應(yīng)變范圍的監(jiān)測，比方滑坡等。最近開展的基于相干瑞利散射的相位敏感OTDR技術(shù)，可適用于周界入侵以及振動(dòng)的監(jiān)測，精度高，本錢較低，引起廣泛重視[12]。ROTDR技術(shù)主要用于分布式溫度監(jiān)測，本錢適中，適用于建筑物的滲漏狀況、火災(zāi)狀況的監(jiān)測。BOTDR/BOTDA技術(shù)主要用于長距離分布式應(yīng)力監(jiān)測,本錢高，可用于大中型建筑工程的長期穩(wěn)定性監(jiān)測,如大型堤防工程、橋梁、隧道等的整體狀況的監(jiān)測。四．典型應(yīng)用方案點(diǎn)面結(jié)合的隧道平安監(jiān)測系統(tǒng)的組成如圖1所示。圖1隧道監(jiān)測系統(tǒng)方案示意圖中心監(jiān)控裝置由PC機(jī)和系統(tǒng)軟件構(gòu)成，是對(duì)整個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)展管理的監(jiān)控平臺(tái)。應(yīng)變解調(diào)儀用來監(jiān)測隧道的構(gòu)造應(yīng)力狀況，而溫度解調(diào)儀用來監(jiān)測隧道內(nèi)的滲漏狀況和火災(zāi)狀況。傳感光纖沿隧道內(nèi)壁布設(shè)，可以鋪設(shè)多條傳感光纖進(jìn)展多種物理量的同時(shí)測量。溫度傳感系統(tǒng)接受分布式光纖喇曼溫度解調(diào)儀。應(yīng)力傳感包括FBG波長解調(diào)儀和BOTDR分布式應(yīng)力分析儀。隧道內(nèi)構(gòu)造應(yīng)變的整體狀況由BODTR監(jiān)測，局部重點(diǎn)部位的應(yīng)變狀況由FBG傳感系統(tǒng)監(jiān)測，構(gòu)建點(diǎn)面結(jié)合的全方位監(jiān)測體系。監(jiān)測系統(tǒng)每隔0.5-1分鐘可以顯示隧道的平安信息。五．急需解決的問題〔1〕隧道和橋梁監(jiān)測中的動(dòng)態(tài)/靜態(tài)測試技術(shù)主要針對(duì)隧道和橋梁在靜態(tài)測試以及動(dòng)態(tài)測試中的關(guān)鍵技術(shù)探究。〔2〕光纖傳感器的布設(shè)方式探究光纖傳感器的布設(shè)方式干脆影響監(jiān)測的精確性，為此須要結(jié)合工程的詳細(xì)環(huán)境條件，探究不同的布設(shè)方式對(duì)傳感系統(tǒng)的影響。〔3〕預(yù)警系統(tǒng)的軟件開發(fā)對(duì)光纖傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展處理分析，當(dāng)隧道和橋梁內(nèi)構(gòu)造應(yīng)變或者應(yīng)變的變更速率超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)。〔4〕探究自然環(huán)境變更對(duì)傳感系統(tǒng)的影響比方暴雨、大風(fēng)、爆曬、氣溫變更對(duì)傳感系統(tǒng)的牢靠性和精確性的影響。以上這些問題的解決，無疑將大大推動(dòng)光纖傳感器的市場應(yīng)用進(jìn)程。六．開展趨勢(shì)〔1〕系統(tǒng)集成技術(shù)在一個(gè)平安監(jiān)測工程中接受多種光纖傳感技術(shù)，點(diǎn)面結(jié)合，獲得被測對(duì)象的全面信息，從而有助于提高監(jiān)測的精確性。〔2〕組網(wǎng)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于多點(diǎn)式和分布式光纖傳感器系統(tǒng)，組成新型的光纖傳感測量網(wǎng)絡(luò)，和因特網(wǎng)，無線網(wǎng)結(jié)合起來，組成智能傳感通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。〔3〕重大工程平安監(jiān)測光纖傳感系統(tǒng)工程模擬和仿真探究利用熱、力學(xué)原理，依據(jù)實(shí)際工程，建立仿真模型，結(jié)合傳感數(shù)據(jù)，進(jìn)展模擬和仿真探究，以獲得最大著力點(diǎn)、最大熱點(diǎn)和溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場分布，進(jìn)一步獲得最正確監(jiān)測和預(yù)警方案。七．結(jié)論光纖傳感技術(shù)經(jīng)過20多年的開展，解決了許多實(shí)際應(yīng)用中的問題。光纖傳感器在平安監(jiān)測方面的應(yīng)用探究已越來越引起人們的重視。近年來光纖傳感器慢慢的代替了電阻應(yīng)變片傳感器，在大型土木工程中獲得了廣泛的應(yīng)用，成為這些大型工程平安監(jiān)測的首選傳感器。光纖傳感器在其今后的開展中，還有許多實(shí)際工程應(yīng)用方面的問題急需解決，以實(shí)現(xiàn)光纖傳感器的市場化應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：[1]盧哲安，江志學(xué)，石玉華.光纖光柵傳感技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用探究[J].武漢理工高校學(xué)報(bào)，2003,25(11):57-59.[2]張東生,李微,郭丹，等.基于光纖光柵振動(dòng)傳感器的橋梁索力實(shí)時(shí)監(jiān)測[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007,20(12):2720-2723.[3]蘇木標(biāo),杜彥良,孫寶臣，等.蕪湖長江大橋長期安康監(jiān)測和報(bào)警系統(tǒng)探究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2007,29(2):71-76.[4]王佶,南秋明,李躍.光纖光柵傳感技術(shù)在特大跨橋梁施工監(jiān)測中的應(yīng)用[J].河南科技高校學(xué)報(bào)，2007,28(4):46-49.[5]MENDEZA,MERSETF,MENDEZF.ApplicationofembeddedopticalFiberSensorsinreinforceconcretebuildingsandstructures[J].Proc.OfSPIE,1989,1171:60-69.[6]范典,姜德生,梅加純.高速雙邊緣光纖光柵波長解調(diào)技術(shù)[J].光子學(xué)報(bào)，2006,35(1):118-121.[7]胡勇勤.光纖光柵傳感器的解調(diào)方法的探究[J].自動(dòng)化和儀器儀表，2004,5:11-14.[8]哀微,姜德生.FBG溫度傳感的多路解調(diào)方法[J].傳感器技術(shù)，2003,22(9):5-25.[9]孫汝蛟,孫利民,孫智.FBG傳感技術(shù)在大型橋梁安康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].同濟(jì)高