27颜强光纤传感器在土木工程中的应用

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1、光纤传感器在土木工程中的应用颜强（黑龙江科技大学，建筑工程学院，土木13-4班，2013024317）［提要］对光纤传感器的基本原理和在土木工程中常用的强度调制型、干涉型、光栅型等传感器进行了介绍。对光纤传感器在土木工程中的应用作了较力详细的综述，探讨了光纤传感器川于土木工程监测（检测）时存在的-些M题，提出了拟解决的思路，指明其广阔的应用前景。［关键词］光纤传感器土木工程结构检测（监测）、八>A一、刖目大型土木工程结构和基础设施，如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台以及

2、输汕、供水、供气等生命线系统，由于环境荷载作用，在其服役过程中一旦发生灾害，将给人民的生命和财产造成巨人的损失。因此，对重要结构的无损检测与无损评价显得越来越重要。然而，巾于土木工程结构和基础没施体积大、跨度长、分布面积大、使用期限长，传统的传感没备组成的监测系统的稳定性和耐久性都不能很好地满足工程实际的耑要。1989年美国布朗大学的Mendez等人首次提出将光纤传感器埋入混凝土结构中进行安全监测。随后美国、欧洲、日本等国家的一些学者开始将这一高新技术应用于土木工程的研究，并取得了很好的成果。光纤传

3、感技术之所以适用于土木工程，主要是基于它与传统的电测传感器相比，具有如下的优越性能:耐腐蚀、耐久性好;体积小、重量轻、结构简单，埋入土木工程结构对基体材料儿乎没宥影响;能避免电磁场的干扰，电绝缘性好;信号可多路传输，便于与计算机连接，易于实现分布式测量;单位长度上信号衰减小，传输距离可以很Lk灵敏度与精度高;频带宽;信噪比高等。二、光纤传感器的基本原理光是电磁波，所以光在光纤中的传输可用麦克斯韦（Maxswell）波动方程来分析。当光纤的断面尺寸比波长大得多时，可用射线光学的概念来处理。由于光芯的折

4、射率大于包层的折射率，因此入射角大于临界角时，由菲涅耳定律可知，光线将不折射到包层中去，从而实现全反射。这就是光传输的基本原理。光纤传感器的工作原理是用被测的物理量调制传输光光波的某一参数，使之随其变化，然后对己调制的光信号进行检测，从而得到被测量。因此，光调制技术是光纤传感器的关键技术16］。由于土木工程中应用光纤传感器的特殊性，这里介绍常用于土木工程研究的几种传感器。强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强发生变化，通过检测光强的变化实现对被测W:的测:k

5、。强度调制机理一恒定光源发出强度为ii的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用T强度发生变化，即受到外场的调制，使得输出强度10的包络线与被测的信号一样，光电探测器测出的电信号ID也作了同样的调制，这样检测出调制信号就得到被测信号。强度调制的方式有:反射式、透射式、折射率、光模式和吸收系数强度调制等。在土木工程中，巾于其籼放式特点，常用基于微弯的光模式强度调制传感器。其原理为光纤受压力后会改变弯曲度，使得一部分光逸岀，即传导模变成了辐射模，导致光强发生变化，可以精确地把它与引起微弯的器件的位置

6、及压力等物理量联系起來。因此若采用适当的方式探测光的强度变化，则nJ•知道位移的变化量，据此可以制作温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。这种传感器最大的优点是简单、可靠、经济。但是如果直接把通信用光纤埋入结构屮，光纤微弯较小，光强变化不明S，通常加入变形装罝或对光纤进行加工(如去掉包层、刻蚀、采用特种光纤等)。干涉型光纤传感器：干涉型光纤传感器的基本原理是通过被测能量场的作用，使光纤内传输的光波相位发生变化，从而产生干涉，再用干涉测量技术把相位变化转化力强度变化，检测出待测的物理量。这种传感器

7、最大的优点是灵敏度高，适于局部测量。常川的为以下三种：(1)迈克尔逊(Michelson)干涉传感器，激光器输出的单色光由分束器分成相等的两束光:一束射向固定的反射镜，然后反射回分來镜;另一來射14可移动的反射镜，反射回分束镜。两束光存在光程差时，由探测器川'探测到干涉光。如果将光纤的端面制成镜面，一束作参考光，另一束作测量光，就可以制成应变传感器。(2)马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉传感器，由激光器发岀的单射光分成相等的两束，一束作参考光，另一束作测量光，在第二个耦合器上干涉，通过

8、测量干涉光就可以得到被测量。(3)法布里-扣罗(Fabry-Perot)干涉传感器(亦称F-P干涉传感器)其基木原理是利用光纤的端而形成干涉腔，从而导致光程差使得光干涉。F-P传感器分为透射式与反射式两种。它不需要将一根光纤分朿，因此具有单传输线、单端点、灵敏度高等优点，很适合大型结构。布拉格(Bragg)光栅俾感器布拉格光栅传感器的基本原理是在光纤芯内制成折射率周期分布的传感区，输入光在这个IX域内反射，反射信号的波长随折射率变化的周期和大小而变化。通过光谱分析仪对