光纤传感器在岩土工程中的应用

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1、第21卷2008年10月常州工学院学报JournalofChangzhouInstituteofTechnologyV01．2lOct．2008光纤传感器在岩土工程中的应用杨帅1丁勇1’2左晓宝1(1．南京理工大学土木工程系，江苏南京210094；2．南京水利科学研究院，江苏南京210029)摘要i文章介绍了光纤传感器的性能、工作原理及其相对于传统传感器的优点，并介绍了传感器在岩土工程中的应用。关键词：光纤传感器；岩土工程；应用中图分类号：TP212．14文献标识码：A文章编号：1671—0436(2008)Z一0245—040引言

2、岩土工程大多在地质条件复杂，作业环境恶劣的情况下进行，其施工过程和构筑物使用过程中的安全问题越来越受到重视。使用传感器对整个过程进行监测成了岩土工程中安全保障的必要手段。传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。光纤传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器，它是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。由于和传统传感器相比，光纤传感器具有很多优点，近年来光纤传感器在岩土工程中得到越来越广泛的研究和应用。1光纤传感器1．1光导纤维及其传光原理光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质。其基本结

3、构和光纤传输如图1所示，中央是—个细芯(折射率为疗)，称为芯子，直径约为几十lan，芯子外面是一圈包皮(折射率为，l。，n>nJ)，直径大致为100—200grn。0图l光导纤维基本结构和光线传输收稿日期：2008—07—15当光线人射到芯子并射至芯子和包皮的交界面时，光线在该处有一部分透射，一部分反射。但当光线在纤维端面中心的人射角n．小于临街人射角n，时，光线就会发生全反射，不会透射出界面。这样经过不断的反射，光线就能沿着纤芯向前传播。为了保证全反射，要求，l，

4、，是表示向光导纤维人射信号光波难易程度的参数。一种光导纤维的数值孔径越大，表明它可以在越大的入射角范围内输入全反射光，并保证此光波沿芯子向前传播。1．2光纤传感器的工作原理光纤作为传播光波信号的媒介，最早应用于光通信技术。但在实际光通信过程中，发现外界因素(如温度、压力、电场、磁场、振动等)对光纤的作用会引起光波特性参量(如振幅、相位、偏振态等)发生变化。因此人们只要测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以通过光特性参量的变化来检测外界因素的变化，这就是光纤传感器的基本工作原理。光线传感器一般分为两大类：传光型传感器和功能型传感器。

5、1．2．1传光型传感器传光型光纤传感器的光纤仅仅起传输光波的作用，需在光纤端面或中间加装其他敏感元件构成传感器。其基本原理是待测物理量引起光纤中246常州工学院学报2008正传输光的光强变化，通过检测光强的变化来实现对待测物理量的测量⋯。以反射式位移传感器为例，对其原理进行说明。反射式光纤位移传感器是一种传光型光纤传感器，其光源光纤和接收光纤的一端合并在一起组成光纤探头，另一端分开。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变

6、化。当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。当光纤探头离反射面距离逐渐增加时，接收到的光强逐渐也相应增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小，形成一条特征曲线，利用这条特性曲线就可以通过对光强的检测得到位移量。1．2．2功能型传感器功能型光纤传感器是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作成的传感器，在功能型光纤传感器中，光纤既是传输媒体也是传感媒体。由于这种传感器能在整个连续光纤的长度上以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化，因此也称为分布式光纤传感器呤J。功能型光纤传感器根据其测试方法不同可分为不同的类

7、型。光栅光纤传感器是目前研究较多的一类传感器，所采用的光纤是芯区折射率受永久性、周期性调制的一种特种光纤【3J。光纤光栅是一种相位光栅(Phasegrafing)，主要包括光纤布拉格光栅(FBG：FiberBraggGrating)、光纤稠啾光栅(chirpedFBG)、光纤相移光栅(phaseshiftFaG)、长周期光纤光栅(10ngperiodFbier(?rat．ing)等‘引。1．3光纤传感器的自身优点与传统的传感器相比，光纤传感器在传感介质和传导介质这两个方面都有不同。传统传感器的传感介质为电，传导介质为电缆；光纤传感器

8、的传感介质为光，传导介质为光纤。由于这些不同，光纤传感器和传统传感器相比，具有以下优势：体积小、重量轻、柔软易布置，抗干扰强(电磁场、湿度、化学腐蚀，灵敏高)，寿命长，能够实现实时在线测量，测量范围广，稳定性好，容易实现传感网络等。2