光纤传感器的工程应用及发展趋势

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1、光纤传感器的工程应用及发展趋势摘要：对光纤传感器的应川概况进行丫详细综述，总结比较了儿种成熟的光纤传感器的优缺点。针对隧道的具体应用，提出了一套点面结合的综合技术解决方案。指出了目前光纤传感器在工程应用上急需解决的一些问题及艽发展趋势。关键词：光纤传感器；光纤光栅；安全监测一.引言近年来公路交通基础建设迅速发展，隧道和桥梁工程的建设规模大，环境条件复杂，建设速度快，所以对K长期运行的安全性必须进行在线监测，冰能有效预防安全事故的发生，避免造成生命和财产的重大损失。公路隧道和桥梁的地质灾害不仅影响公路交通的安全，造成生命和财产的损失，

2、而且影响经济的快速稳定发展。公路隧道和桥梁发生的灾害主耍包括隧道局部的坍塌、渗漏以及火灾，桥梁局部裂缝、崩塌等。传感技术足这些工程安全监测的基础和支柱。而随着工程难度和环境条件H趋复杂，传统的传感技术已愈来愈显示出它的局限性，如抗干扰能力和抗恶劣环境能力差，长期稳定性差，难以实现现场非电、大容量、远程分布式、数字化监测等。光纤传感技术正是在这种背景下，H20世纪70年代初诞生以来，就受到了世界范围内的广泛重视，并取得了持续和快速的发展，成为这些大型工程安全监测的首选传感器。因此，近年来光纤传感器逐渐的代替了电阻应变片传感器，在大型土

3、木工程中获得了广泛的应用［1_4］。二.应用与发展概况1989年美W布朗大学的Mendez等人［5］首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。之后，美W、加拿大、英W、徳W、H本、瑞士等W,纷纷将光纤传感技术应用于桥梁等建筑物的安全监测。加拿大卞•尔加附近的BeddingtonTrail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一，16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测。1999年夏，在美W新墨西哥LasCruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了

4、120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。徳M的GFZPotsdam开发的光纤光栅应变传感器用于探测岩石构成和岩石工程(包拈隧道、洞穴、坑道、深层地基)的静态和动态应变，丌发的光纤光栅地震成像系统用于地下煤矿坑道的安全监测等等。欧洲的STAB1L0S计划屮开发的光纤光栅传感系统用于对瑞士Mont-Terri隧道和矿井主梁的长期静态位移监测等。近年来，以加拿大渥太华大学和瑞士联邦工学院为代表的分布式布里渊光纤传感技术(B0TDA/B0TDR)成为研究的热点，广泛应用于石油管道、市政工程、电力电线等安全

5、在线监测。90年代初，我国开始了光纤传感技术的应用研究。清华大学、同济大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学等院校已对光纤光栅传感器应用于桥梁检测进行了大量研究，并进行了一些工程应用，取得了较好的效果。而且，武汉理工大学在光纤光栅解调仪的研发上取得了很大成功［6"8］,主要技术参数达到岡际同类产品的水平。2003年6月，同济大学主持的卢浦大桥健康检测项目屮，采用了光纤光栅传感器，用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。该项成果还在东海大桥结构健康监测系统设计中得到了体现［9］。南京大学主要对布里渊光吋域反射（B0TD

6、R）技术的工程应用进行了大量的工作，在玄武湖隧道监测项A中取得了较好的效果。石家庄铁道学院大型结构健康诊断与控制研究所在III西小沟特大桥健谈监测屮，使用FBG应变传感器监测大桥的受力情况，并结合小沟桥CJ身特点，采用模态动能法，即挑选振幅较大的点或者模态动能较大的点来布设传感器，共布设73个FBG应变传感器，达到良好的监测效果［1°］。中铁隧道集团采用光纤介喇格光栅传感技术对广州地铁五号线小北站暗挖区间隧道进行了监测研究，包括监测设备比选、监测系统设计、传感器封装及保护、数据处理与分析。现场每个监测断面设计铺设6个FBG钢筋应力计

7、传感器、2个FBG混凝土应变计和1个FBG温度传感器，所有传感器只敷设在拱顶和边墙上。研究表明FBG传感技术用于地F工程的监测十分可行，为FBG传感技术用于地下工程的监测提供重要参考［11］。北京科技大学和昆明理工大学以昆明白泥井3号隧道为实例，提出FBG传感器在隧道内的铺设方案及温度补偿技术。FBG监测系统覆盖隧道的一段，共选取10个断而按“Q型”布置，进行绕拱变形监测，监测线路采用全面接着方法。经过对隧道进行8个月的定期监测，分析结來表明，FBG可准确地测出隧道的应变分布，将其应用于隧道变形监测屮是可行和有效的，验证FBG监测系

8、统的可靠性。中岡计量学院主耍研发喇曼光时域反射（R0TDR）技术，口前产品已经在国内多家单位应用，主要性能指标达到国际先进水平。一.几种主要的光纤传感技术应用于工程领域的光纤传感技术主要有光纤光栅（FBG）、瑞利散射光吋域反射（0TD