光纤传感器在土木工程中的应用

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1、第!"卷第#期建筑结构"$$"年#月光纤传感器在土木工程中的应用!周智田石柱欧进萍（哈尔滨工业大学土木工程学院(#$$%$）［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为详细的综述，探讨了光纤传感器用于土木工程监测（检测）时存在的一些问题，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）)*+,*+-./-0-1,2345026+.7+87-.7489,*+2.4115234,2-872832:25+8;28++.28;4.+

2、354.202+9<=->+1.-65+>7281.+7+8,4.+4845/?+94897->+1-77265+487@+.7,-,*+>4.+457-;2:+8

3、载作用，图(光纤的基本结构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大的损失。因此，对重要结构的无损检测与光纤传感器的工作原理是用被测的物理量调制传无损评价显得越来越重要。然而，由于土木工程结构输光光波的某一参数，使之随其变化，然后对已调制的和基础设施体积大、跨度长、分布面积大、使用期限长，光信号进行检测，从而得到被测量。因此，光调制技术［&］传统的传感设备组成的监测系统的稳定性和耐久性都是光纤传感器的关键技术。由于土木工程中应用光不能很好地满足工程实际的需要。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。(%’%年美国布朗大

4、学的C+89+?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(F强度调制光纤传感器国、欧洲、日本等国家的一些学者开始将这一高新技术强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引应用于土木工程的研究，并取得了很好的成果［#，&］。起光纤中的传输光光强发生变化，通过检测光强的变光纤传感技术之所以适用于土木工程，主要是基化实现对被测量的测量，原理如图"所示。于它与传统的电测传感器相比，具有如下的优越性［D，#］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几乎没有影响；能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；信号可多路传输，

5、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，传输距离可以很长；灵敏度与精度高；频带宽；信图"强度调制机理噪比高等。一恒定光源发出强度为!的光注入传感头，在传二、光纤传感器的基本原理2感头内，光在被测信号的作用下强度发生变化，即受到光纤的基本结构如图(所示。光是电磁波，所以外场的调制，使得输出强度!的包络线与被测的信号光在光纤中的传输可用麦克斯韦（C4E7@+55）波动方程$一样，光电探测器测出的电信号!也作了同样的调来分析。当光纤的断面尺寸比波长大得多时，可用射G制，这样检测出调制信号就得到被测信号。线光学的概念来处理。由于光芯的折射

6、率大于包层的强度调制的方式有：反射式、透射式、折射率、光模折射率，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!国家杰出青年科学基金资助项目（#%&"#’(#）与国家高技术应用是光传输的基本原理。基金项目。&#式和吸收系数强度调制等。在土木工程中，由于其粗4$分布式光纤传感器放式特点，常用基于微弯的光模式强度调制传感器。分布式光纤传感器是将传感光纤沿场分布，并采其原理为光纤受压力后会改变弯曲度，使得一部分光用独特的探测技术去感知光纤传输路径上待测场（如逸出，即传导模变成了辐射模，导致光强发生变化，可温度、应力

7、、裂纹等）的空间分布和随时间变化的信息。以精确地把它与引起微弯的器件的位置及压力等物理由于它探测的是场的分布，比点测量更有意义。为此，量联系起来。因此若采用适当的方式探测光的强度变国内外非常重视这项技术，并取得了很大的进展。化，则可知道位移的变化量，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中，光纤微弯较小，光强变化不明显，通常加入变形装置或对光纤进行加工（如去掉包层、刻蚀、采图4马赫/泽德干涉图［"，#］用特种光纤等）。［#］"$干涉型光纤传感器干涉型光纤传感

8、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