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1、浅谈分布式光纤传感技术在裂缝检测中的应用石家庄市市政建设总公司程文长摘要：土木工程中最常见的问题是混凝土结构受外载作用和温度等因素的影响而产生裂缝，它是影响混凝土结构完整性的最主要因素。分布式光纤传感技术应用于裂缝检测，比之传统技术(如电测仪器)具有明显的优势。本文介绍了裂缝检测的背景、分布式光纤传感技术的特点、分布式光纤传感技术裂缝检测的原理和国内外研究动态，展望了分布式光纤传感技术在实际工程中应用的前景和价值。【关键词】分布式光纤传感技术散射裂缝检测光时域反射仪1前言在混凝土结构中,裂缝的出现难以避免。如果对其发展状态不加重视,裂
2、缝的发展很可能会破坏结构的整体性,直接危害结构的稳定。2001年11月四川省宜宾市连接金沙江两岸的南门大桥由于多年没有得到基本维护,产生巨大裂缝而导致垮塌,给人民生命财产造成了重大损失。如果事先能对该桥裂缝的发展状况进行观测,及时掌握其变化并给予必要维护,就能确保其安全,避免事故的发生。这一事故表明:大型土木工程的裂缝监测必不可少。对混凝土结构的裂缝进行评估,其传统方法主要靠埋设仪器来实现。这种手段虽然有效,但属点式监测。从全面收集建筑物的安危和实况重要信息这方面而言,尚有相当的局限性。尤其是时空上涵盖全结构的局限性——即收集信息在时
3、间、空间上的不连续,这会导致险情或重要先兆信息的漏检。例如世界第一高拱坝——前苏联英古里双曲薄拱坝,高271.5m,长728m,设有庞大的监测系统,埋设仪器达2500支,但其裂缝直到廊道漏水时才被发现。正因为裂缝检测的技术难度较高,传统手段又存在不可避免的缺陷,故检测技术的更新换代已不可避免。在各国竞相发展的安全检测高新技术中,光纤传感由于能实现空间立体监测和连续性监测,从而对结构中的隐患作出预警,在大型土木工程的安全监测中已得到了越来越多的重视,而其中的尖端领域和研究开发热点则是分布式光纤传感技术。2分布式光纤传感的特点作者简介：程
4、文长男1955年出生石家庄市政建设总公司副总经理分布式光纤传感技术是应用光纤几何上的—维特性进行测量的技术,它把被测参量作为光纤位置长度的函数,可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量,为建筑和研究领域提供了同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化信息的手段。与传统测量仪器相比,分布式光纤传感技术具有精度高、稳定性强使用范围宽等特点,具体表现为以下几点。2.1数据采集量、速度与精度有大幅度地提高由于光纤自身具有集传感和传输于一身的特点,可进行空间上的连续检测,采集的数据量也分布于整个空间。只要裂缝与埋
5、入的光纤光路相交即可被感知。同时,光纤具有实时检测的特点,当裂缝产生时它即能实时检测到,从而对结构中的隐患作出预警。由于在确定的土木工程中,其缝宽和光路信号衰减成唯一关系,所以,当光路的衰减量被检测到后,其缝宽及其位置即可确定,并且在精度上也有较好的保证。2.2对雷电、各种电磁及射频环境有极强的抗干扰能力在建筑工程中,对于一些有较强电磁场的场合如水电站大坝,光纤传感器由于具有极强的抗干扰能力,因此在该领域中具有特殊的优越性。并且因光纤传感器不需要屏蔽、接地和雷电保护,从而也降低了系统土建和运行的维护成本。2.3对结构材料性能没有影响用
6、于检测裂缝的分布式光纤传感器具有体积小、重量轻的特点。它不影响埋设点的材料性能,属于无损检测,适合野外作业需要。2.4采用即插即读的连接方式数据结果直接显示裂缝位置与宽度,方便检测人员对系统的使用。2.5具有智能化的发展趋势光纤检测信息损耗量小,可以远程遥测。如果能和计算机网络连接,就能实现自检测、自诊断的智能化检测。3光纤裂缝传感的原理当光沿光纤传播时,由于拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射的存在,在纤芯内各点都会产生光的损耗,一部分光沿光纤传播方向成180°的方向散射(后向散射光),沿光纤返回光源。图1为光在光纤中传输时的散射频谱。图
7、1散射光的频谱示意图光谱中央的峰为频谱没有变化的瑞利散射,其余的峰为非弹性的布里渊散射和拉曼散射。光时域反射仪(OTDR)可以通过自身检测仪将瑞利散射的波形提取出来。这样,把光脉冲信号输入光纤,然后检测返回的散射光强的变化,就能确定光纤散射系数或衰减与空间的关系。应用于裂缝检测的分布式光纤传感技术正是基于此原理,利用OTDR探测沿光纤长度上过大的局部损耗,从输出信息中获取所测参量的空间位置及大小。由于瑞利散射属本征损耗,所以可以作为应变场渐断面检测参量的信息载体,提供沿光路全程的单值、连续的检测信号。瑞利散射功率(P)遵循以下方程：（
8、1）式中x为散射点的沿程距离；S(x)为后向散射光的捕获比；β(x)为光纤衰减系数；αf(x)和αb(x)各为光纤前向、后向衰减系数。光时域反射仪接收的光强及光纤内任意两点间的功率损耗,均可按光行程的函数加以确定。故当衰
