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1、光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用研究第l8卷第5期1999年l0月岩石力学与工程^iaeseJo~raalRockMecha=~c8andgag=see~'iag18(5):588~59l0..199'9光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用研究(秽一叫/刘雄(武祝I妇∈孚～430070)摘要概括了岩士力学参数测试与工程监渊技术的特点和存在的主要困难.讨论了光纤传感技术在岩土工程测试中应用的优越性.从光纤低衰减的光传导原理出发,分析光波导的可调制性及光奸传感器的可能类型.介绍了目前在岩士力学研究与工程监测中应用光奸传感技术取得的若干成果-并指出光纤传感技术的可能发展.美蕾词光纤传感器,岩士工
2、程监舟羹号N251岩土工程监测的特点与存在的困难长期的岩土工程研究实践表明,岩土力学参数测试和岩土工程监测具有以下特点:(1)长时效性岩土工程一般服务年限很长,其工程介质的力学性态均具有时效影响,即应考虑其流变特性,因此,测试设备(传感器)应能保持长期稳定.(2)环境复杂岩土体为地质介质,处于一定的水环境中,探头需探测水(包括湿度)对岩土体力学性态的影响,同时传感器也应在水环境中保持工作稳定,即满足防水,防潮要求.此外,在自然环境中,应能防雷击和抗电磁干扰.在对三峡链子崖山体变形长选几十年的变形监测中,曾多次因雷击掼坏电子监测系统.煤矿防爆和核能利用中防高能辐射亦为目前监测技术中尚待解决的问题
3、.(3)监测对象的时空限制微机在监测技术中的应用不但使监测成果对工程应用的反馈速度加快,而且使监测空间也大为扩展.岩土工程(特别是大型水电工程)监测网络化已日益显示其必要性与可能性,因此在监测的信息量上和信息反馈速度上,应满足近代工程在时间与空间上的要求.(4)施工环境制约现场施工进展与布局在时间与空间上不可能给工程监测更多的照顾,因此,监测设备必须微型化并采取有效的稳蔽措施.目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明,满足上述测试要求十分困难,为解决通常遇到的防水防潮和抗电磁干扰的问题,尽管进行过多方面的研究并采取相应的防护措施,但所费代价昂贵,而收效却甚微.2传感技术的比较与光纤传感技
4、术原理从作者对光纤传感技术的研究和初步工程实践的体会,光纤传感技术与传统传感技术在岩土工程中应用的适用性与优缺点,可作出如表1所示的比较.从表上可以看出,光纤传感技术与传统技术相比,有明显的优越性和很大的发展潜力.光纤对光信号作低衰减传输主要是利用光的全反射原理.当光入射到两种不同折射率的物质界面上时,将发生反射与折射现象;但是,若传输入射光的介质的折射率n大于第二种介质的折射率(见图1),则当入射角满足一定条件时,光在界面上将发生全反射,即光不会透射到第二种介质;若将两种介质作成同心的环状,即作成如图2的光鲆结构,则光线作折线式的方式向前传递时,这种全反射发生的条件得以保持,光线将被约束在鲆
5、芯中传递.易于证明,如果光线的入射角大于下式定义的临界角时,所述的全反射现象即会发生[1],具体公式如下:l099年1月14日收到初稿,l099年3月22日收到修改稿.作者刘雄简介t男,64岁,1958年毕业于华中师范大学物理系,理任教授,主要从事岩土力学与工程方面的研究工作.第l8卷第5期刘雄.光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用研究?589?监碱环境灵敏度探头尺寸聪结成网区域控制自动他与智能化施工干扰服务年限监谢费用可甩在水下,期箍,易琳暑鼻,电磁干扰,高能辐射等环境位移达l0一l～l0mm量极,压力m01tO.001MPa卜般很小.位移计最小已选婶m.Ⅱ×lOOmm,重量小到l0～2Og
6、.需作无源联接,联接器件价格较昂贵一修复较复杂.易于作太范日联网监渊,无需作前置放大或中继放大}并可作分布式监测.易于实现.需作防护{但体积小易于隐蔽,元件揖坏难于修复.>10a.在同—精度与测试量程内,为电磁法的】/2～1/3.不适于复杂环境.如作特殊防护,可作短期监碱.位移达lO～l0mm,压力0.01~0.001MPa.一般较大,较重.易于联接与修复,费用低廉方便.太于200m信号传辅需作前置放大;远距离传输需作中继放大易于实现.需作防护;故障易于排除;设备需要空间较多,I～2a一般较高.界面法线/辑啦年质的界面/2\.折射事?,图1光在界面处的反射与折射现象Fig.1Refl
7、oxJonandrefractionofJightonsurf~tce纤芯折射率一包层折膏率图2光纤结构与纤芯内光传递示意图Fig.2Constructionofopticalfiberandtratlsf~]ss]onoflhtinthefibersin;nz/n1(1)由于导光介质对光的吸收,光线在传输过程中会很快衰减.实验证明,光在石英光鲆中的衰减,主要由介质中的金属离子的浓度所控制,目前已
