光纖傳感器的工程應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

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1、光纖傳感器的工程應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)摘要：對(duì)光纖傳感器的應(yīng)川概況進(jìn)行丫詳細(xì)綜述，總結(jié)比較了兒種成熟的光纖傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)隧道的具體應(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(wèn)題及艽發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：光纖傳感器；光纖光柵；安全監(jiān)測(cè)一.引言近年來(lái)公路交通基礎(chǔ)建設(shè)迅速發(fā)展，隧道和橋梁工程的建設(shè)規(guī)模大，環(huán)境條件復(fù)雜，建設(shè)速度快，所以對(duì)K長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性必須進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，冰能有效預(yù)防安全事故的發(fā)生，避免造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。公路隧道和橋梁的地質(zhì)災(zāi)害不僅影響公路交通的安全，造成生命和財(cái)產(chǎn)的損失，

2、而且影響經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展。公路隧道和橋梁發(fā)生的災(zāi)害主耍包括隧道局部的坍塌、滲漏以及火災(zāi)，橋梁局部裂縫、崩塌等。傳感技術(shù)足這些工程安全監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)和支柱。而隨著工程難度和環(huán)境條件H趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的傳感技術(shù)已愈來(lái)愈顯示出它的局限性，如抗干擾能力和抗惡劣環(huán)境能力差，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)非電、大容量、遠(yuǎn)程分布式、數(shù)字化監(jiān)測(cè)等。光纖傳感技術(shù)正是在這種背景下，H20世紀(jì)70年代初誕生以來(lái)，就受到了世界范圍內(nèi)的廣泛重視，并取得了持續(xù)和快速的發(fā)展，成為這些大型工程安全監(jiān)測(cè)的首選傳感器。因此，近年來(lái)光纖傳感器逐漸的代替了電阻應(yīng)變片傳感器，在大型土

3、木工程中獲得了廣泛的應(yīng)用［1_4］。二.應(yīng)用與發(fā)展概況1989年美W布朗大學(xué)的Mendez等人［5］首先提出了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和建筑檢測(cè)的可能性。之后，美W、加拿大、英W、徳W、H本、瑞士等W,紛紛將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁等建筑物的安全監(jiān)測(cè)。加拿大卞?爾加附近的BeddingtonTrail大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)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強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料筋上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。1999年夏，在美W新墨西哥LasCruces10號(hào)州際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了

4、120個(gè)光纖光柵傳感器，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)在一座橋梁上使用光纖光柵傳感器最多的紀(jì)錄。徳M的GFZPotsdam開(kāi)發(fā)的光纖光柵應(yīng)變傳感器用于探測(cè)巖石構(gòu)成和巖石工程(包拈隧道、洞穴、坑道、深層地基)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變，丌發(fā)的光纖光柵地震成像系統(tǒng)用于地下煤礦坑道的安全監(jiān)測(cè)等等。歐洲的STAB1L0S計(jì)劃屮開(kāi)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(zhǎng)期靜態(tài)位移監(jiān)測(cè)等。近年來(lái)，以加拿大渥太華大學(xué)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)(B0TDA/B0TDR)成為研究的熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油管道、市政工程、電力電線等安全

5、在線監(jiān)測(cè)。90年代初，我國(guó)開(kāi)始了光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究。清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)等院校已對(duì)光纖光柵傳感器應(yīng)用于橋梁檢測(cè)進(jìn)行了大量研究，并進(jìn)行了一些工程應(yīng)用，取得了較好的效果。而且，武漢理工大學(xué)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)達(dá)到岡際同類(lèi)產(chǎn)品的水平。2003年6月，同濟(jì)大學(xué)主持的盧浦大橋健康檢測(cè)項(xiàng)目屮，采用了光纖光柵傳感器，用于檢測(cè)大橋在各種情況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況。該項(xiàng)成果還在東海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了體現(xiàn)［9］。南京大學(xué)主要對(duì)布里淵光吋域反射（B0TD

6、R）技術(shù)的工程應(yīng)用進(jìn)行了大量的工作，在玄武湖隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)A中取得了較好的效果。石家莊鐵道學(xué)院大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所在III西小溝特大橋健談監(jiān)測(cè)屮，使用FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)大橋的受力情況，并結(jié)合小溝橋CJ身特點(diǎn)，采用模態(tài)動(dòng)能法，即挑選振幅較大的點(diǎn)或者模態(tài)動(dòng)能較大的點(diǎn)來(lái)布設(shè)傳感器，共布設(shè)73個(gè)FBG應(yīng)變傳感器，達(dá)到良好的監(jiān)測(cè)效果［1°］。中鐵隧道集團(tuán)采用光纖介喇格光柵傳感技術(shù)對(duì)廣州地鐵五號(hào)線小北站暗挖區(qū)間隧道進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究，包括監(jiān)測(cè)設(shè)備比選、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器封裝及保護(hù)、數(shù)據(jù)處理與分析?，F(xiàn)場(chǎng)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)計(jì)鋪設(shè)6個(gè)FBG鋼筋應(yīng)力計(jì)

7、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，所有傳感器只敷設(shè)在拱頂和邊墻上。研究表明FBG傳感技術(shù)用于地F工程的監(jiān)測(cè)十分可行，為FBG傳感技術(shù)用于地下工程的監(jiān)測(cè)提供重要參考［11］。北京科技大學(xué)和昆明理工大學(xué)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(cè)系統(tǒng)覆蓋隧道的一段，共選取10個(gè)斷而按“Q型”布置，進(jìn)行繞拱變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)線路采用全面接著方法。經(jīng)過(guò)對(duì)隧道進(jìn)行8個(gè)月的定期監(jiān)測(cè)，分析結(jié)來(lái)表明，F(xiàn)BG可準(zhǔn)確地測(cè)出隧道的應(yīng)變分布，將其應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測(cè)屮是可行和有效的，驗(yàn)證FBG監(jiān)測(cè)系

8、統(tǒng)的可靠性。中岡計(jì)量學(xué)院主耍研發(fā)喇曼光時(shí)域反射（R0TDR）技術(shù)，口前產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多家單位應(yīng)用，主要性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。一.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）、瑞利散射光吋域反射（0TD