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1、第24卷第5期水电能源科学Vol.24No.52006年10月WaterResourcesandPowerOct.2006文章编号:1000-7709(2006)05-0075-05光纤传感技术在土木工程健康监测中的应用1,212徐卫军侯建国周元春(1.武汉大学土木建筑工程学院,湖北武汉430072;2.长江科学院工程安全与病害防治研究所,湖北武汉430010)摘要:针对传统结构的监测仪器存在的缺陷,光纤传感技术正逐步取代传统监测技术应用于土木工程结构健康监测,对单个物理量进行测试已取得可靠成果。但是,通过采用同一根光缆同时监测结构多种物理量来评价工程结构安全
2、与健康,即联合监测在国内并不多见。介绍了分布式光纤传感技术的优势及测试原理,结合工程实例,研究了分布式光纤传感技术应用于土木工程结构健康监测的方式,并探讨了存在的主要问题及解决办法。研究结果表明,该技术应用于结构安全与健康监测是可行的。关键词:分布式光纤;传感技术;土木工程;健康监测中图分类号:TV698.1文献标志码:A为全面了解土木工程结构的安全与健康,通常干扰能力强。主要表现为安全防暴、抗电磁干扰、在结构内部或表面布置一定数量的传感器,对影响抗腐蚀,适用于恶劣环境中。②信息量大。由于结构安全与健康的多个物理量进行测试。传统的分布式光纤集传感与传输于一体,
3、光纤的任一点监测仪器布置表现为/点多面广0,在结构内布置大都为/传感器0,因此光纤传感技术能在整个连续量的点式传感器。这些传感器普遍存在抗干扰能光纤的长度上以距离的连续函数的形式传感出被力弱、稳定性差、相对误差大、零漂和动漂较大等缺测参数随光纤长度方向的变化,对周围的物理量点,很难满足实际的需要。20世纪70年代,随着进行测定,信息量极大。③自动化程度高。光纤光纤通信技术的发展而迅速发展的光纤传感技术传感器可实现在线实时监测,可以依据工程需要是以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外部测设置各种测试控制参数,如最大值、最小值以及监[1]量信号的传感技术。这种新型
4、监测技术基本上控指标的变化速率等,实现自动预警预报和远程克服了传统监测传感器的缺陷,并集传感与传输于自动化控制。④传感探头结构简单、体积小、质量一体,能实现分布式在线实时监测,是土木工程结轻、灵活方便,埋入后对原结构材料性能无影响。构安全与健康监测的理想手段。⑤容易实现远距离信号传输和在线实时监控。光纤传感技术使用广泛,技术较成熟,近年来我国正逐步将光纤传感技术应用于土木、航天、石2分布式光纤传感技术测试原理油化工等工程领域对单个物理量进行测试。但是,将分布式光纤传感技术联合监测(即同时测试2.1激光脉冲在光纤中的散射两个以上的物理量)还属国内首创。本文介绍了
5、激光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中含有光纤传感技术的技术优势和测试原理,并综述了各种杂质,导致激光和光纤分子的相互作用,使后光纤传感技术在土木工程健康监测中的应用,对向产生瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三种散存在的主要问题探讨了解决的措施。射光(图1)。其中,瑞利散射光为弹性散射光,散射光的波长与入射光波长相同,对光纤周围的温1分布式光纤传感技术优势度不敏感,但可用于检测光纤连续损耗分布,如裂缝监测;拉曼散射光和布里渊散射光为非弹性散光纤传感技术一经问世就受到极大的关注,射光,对光纤周围的温度敏感,因此可用于测量温这主要源于光纤传感技术有较多技术优势:①抗度。
6、布里渊散射同时还受应力等其他因素影响,收稿日期:2006-09-11作者简介:徐卫军(1972-),男,博士研究生,研究方向为结构工程安全监测,E-mail:xuweijun92001@163.com#76#水电能源科学2006年还可用于测量光纤周围的应力等相关量。况下,测定布里渊散射信号的频移和功率通过式(3)、(4)可得到温度和应变信息,这就是基于布里渊散射的分布式传感技术的传感机理。2.4瑞利散射的裂缝测试原理将一激光脉冲信号输入光纤,检测返回的散射光强就可确定光纤辐射系数或衰减的空间变化。当光纤所处部位结构出现裂缝时,光纤产生图1光纤中光的散射光谱图微
7、弯。光在光纤弯曲段中传输时产生较大的能量Fig.1Scatterspectrogramofopticalfiber[4]辐射,即为微弯损耗效应,光功率下降。其辐射2.2拉曼散射测温原理损耗系数为:分布式光纤测温系统是基于光子的拉曼散射A0=C1exp(-C2R)(5)温度效应。拉曼散射是由于光纤中分子的热运动22WU2w与光子相互作用发生能量交换而产生的,它包含其中,C1=22e(6)2BA(1+W)VStokes(斯托克斯光)和Ant-iStokes(非斯托克斯22W光),其中Stokes光与温度无关,而Ant-iStokesC2=3B2A3(7)光的强度随
8、温度的变化而变化。由斯托克斯光与式中,
