摘要：光纤传感技术是一种比较先进的测试技术，但其在岩土工程上的应用出于起步阶段，本文分析了光纤传感技术的特点及其原理，并针对其在岩土工程上的应用范围，并针对岩土工程中的应用提出了注意事项。并对光纤传感技术的发展应用进行展望。
1 研究背景
光纤传感技术始于20世纪70年代，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。从杭州物联网暨传感技术应用论坛了解到，光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。
美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家,在军事和民用领域的应用方面进展都十分
迅速。1979年,美国国家航空航天局(NASA)首创机敏蒙皮研究,将光纤传感器埋人复合材料结构进行状态监测;1989年,美国Brownuniversity的A.Mendez等人首先提出了把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中,并描述了这一研究领域在工程应用中的一些基本设想;加拿大的Rotest公司将白光法布里一拍罗光纤传感器用于桥梁结构中的的应力、应变监测,用于评价结构损伤程度、裂缝的发生与发展等,取得较好的测试结果。此外,包括瑞士联邦工学院、美国伊利诺斯州芝加哥大学、加拿大握太华大学、日本N竹公司等国外知名科研机构和公司在光纤传感监测系统的研发和应用方面取得了一系列研究成果[1]。
国内方面,重庆大学智能结构研究中心于1992年率先开始进行光纤传感技术在结构工程中的研究,黄尚廉院士领导的课题组对工程结构健康监测领域的几种光纤传感技术进行了深人的理论和实验研究,取得了显著成果;哈尔滨工业大学欧进萍院士领导的课题组对光纤光栅传感技术进行了卓有成效的研究与应用工作,针对光纤光栅传感器封装和光纤光栅传感技术在桥梁结构健康监测中的应用进行了较深入细致的研究;香港理工大学研发了各种类型温度和应变同时监测的光纤光栅传感器和光纤光栅温度传感器,并将其应用于桥梁健康监测;四川大学的刘浩吾等对分布式光纤传感技术在大坝、桥梁裂缝和边坡变形等监测中的应用进行了大量的试验和应用研究;三峡大学蔡德所等进行了混凝土面板堆石坝的面板裂缝、渗漏和温度
场的分布式光纤传感技术监测[2]。
2 光纤传感技术的特点
目前世界上已开发出的光纤传感器种类不胜枚举,诸如应变、加速度、压力、振动、水声、温度、电流、磁场、核辐射、气体组分等等物理量都实现了不同性能的光纤传感,新的传感原理及应用不断涌现。但真正适合应用于岩土工程中的光纤检测技术却是很有限的,因它需满足以下要求:
1)高精度:随着科学技术的发展,人们对岩土工程检测精度的要求越来越高。
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2)长距离:现代的大型或超大型结构通常为数公里到数十公里(如三峡工程),这就要求能实现长距离检测与信号传输。
3)分布式:传统的点式测量方法,工作量大,由于布点的随意性,最危险的地方可能被漏检。增加检测点数,虽然提高了结果的可靠性,但工作量大为增加,因而需要一种线性测量方法。
4)长期性:传统的岩土工程检测方法一般是采用应变片检测技术。应变片易受潮失效,而岩土
工程中地下水是一个不可避免的因素;光纤的纤芯材料是石英,外加高分子被覆层,本身耐腐蚀性强,也不怕地下水的影响,有利于长期检测。
光纤监测技术伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来。与传统的监测技术相比，光纤监测技术具有一系列独特的优点[3]:
1)分布式：自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏榆的弊端，提高监测成功率。
2)长距离：现代的大型或超大型结构通常为数千米到数十千米(如地铁)，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，而通过铺设光纤，光纤既作为传感体又作为传输体就可以实现长距离、全方位监测和实时连续控测。
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3)耐久性：传统的岩土工程监测一般采用应变片监测技术，应变片易受潮湿失效，不能适应一些大型工程长期监测的需要。光纤的主要材料是石英玻璃，与金属传感器相比具有更大的耐久性。
4)抗干扰：光纤是非金属、绝缘材料，避免了电磁、雷电等干扰，况且电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波无于扰。此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤。
5)轻细柔韧：光纤的这一特性，使它在埋入混凝土的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设。BOTDR(布里渊光时域反射计)技术的应用和研发，将对现有的传统监测技术产生重要影响，对我国各类重大基础工程建设，如长江大桥，地下铁路和隧道、高速公路、西气东运管道、地下停车场、长江堤防等安全监测和健康诊断具有重大的现实意义。
3 光纤传感技术的原理及分类
光纤传感是一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术，包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，对光纤中传播的光波实施调制。光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理(解调)来进行检测，测量光参量的变化，即“感知”外界信号的变化。
按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型[4]。
传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、和频率调制型等[5]四边形测试题。
光纤监测传感系统由光源、接口、光导纤维、光电探测器、光调制机构、信号处理器等部分组成, 以光波为信息载体, 以光纤为传输媒质. 在光纤中传输的光波可用如下形式方程[6]描述:
E=E0勤奋学习全面发展+cos(wt+a) (1)
式中E0为光波的振幅;X为频率;a为初相角.式(1)中包含了5个参数,即强度E02、频率w、波长为2Pic/w、相位(wt+a)和偏振态,被测物理量在敏感头内与光发生相互作用,如果作用的结果改变了光的强度,就叫强度调制光纤传感器,其它依次类推,就产生了频率、波长(颜)、相位等调制光纤传感器.目前光纤传感器可探测70余种物理量[7]。
强度调制型光纤传感器的基本原理是:通过检测被测对象所引起的光强变化,来实现对被测对象的监测和控制[8]。其基本原理图如下图1所示。
图1 强度调制光纤传感器结构示意图
相位调制是光纤传感中最重要的传感技术,其基本机理是,在待测能量的作用下,使光纤中传播的光波发生相位变化,再以干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化,实现对待测物理量的检测。该方法灵敏度高,几何形状灵活多样,工作对象广泛,为了产生干涉效应,要求使用单模光纤。下图2所示为Mach一eZhenr干涉仪,它可用于测量压力、温度等物理量。激光器发射的光束由分束器分别射入参考光纤和传感光纤,传感光纤在外界作用下的长度或折射率变化引起双光纤传导光之间的相位差,产生干涉条纹。
路易士
图2 Maeh一Zehner干涉仪
频率调制型光纤传感器改变光在光纤中的震荡频率来实现测量的。例如：高强度石英光纤在应力作用下发生长度变化,可用于进行应力测量。若使光在光纤内振荡,则可建立振荡周期(频率)与光纤应变关系。如图3,其工作原理如下:先用手动启动开关提供一个单脉冲使之起振,脉冲通过鉴别器,驱动脉冲形成器,使激光器LD发生光脉冲,激光通过光纤由硅光电二极管PD接收,产生的电讯号经放大器进入鉴别器,产生触发脉冲到激光器,激光器发射下一个光脉冲,.这样整个回路形成一个传输时间振荡器。若光纤长度变化,振荡周期(频率)将发生变化,由此可建立光纤应变(△L/L)与振荡周期(频率)关系曲线。该方法由于使用多模光纤,’具有非常好的抗电磁干扰能力,光路以弯曲和扭曲变形不会影响测量结果。但该方法由于采用时间振荡法,对电学系统延迟时间的稳定性要求很高。
图3 频率调制型光纤应变仪
传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。传光型光纤传感器与传感型光纤传感器的区别可以用下图4来表示。
图4 传感型光纤传感器与传光型光纤传感器
光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器[9]三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。
4 光纤传感技术的岩土工程中应用注意事项
4.1光纤的埋设
如何将光纤合理、完好地埋入岩土工程中,是实现岩土工程光纤检测的第一步。光纤在岩土工程中的埋设涉及到以下几个基本问题[9]:
1)光纤如何无损伤地埋入岩土工程中;
2)光纤的合理布置;
光固化树脂胶
3)埋入光纤传感器有关力学性质与岩土体力学性质不一致时,光纤检测数据的合理性。对于土石坝、人工填土工程或混凝土结构等,可以在边施工时,边埋设光纤。对于非人工修建的岩土工程(如边坡)等,可采用人工打钻孔的方法,埋设光纤。为了使光纤埋设布置合理,先应对工程作力学分析,出关键点、关键段,以便做到光纤布置考虑全局,重点突出。工程中的粗骨料,混凝土的捣实、固化,土石坝的夯实等都会导致光纤的损伤。
根据实践经验,光纤埋入岩土工程中有如下几个较好的方法:(1)先将传感光纤埋入一小型预制件中,再把这一小构件埋入工程中,这里值得注意的一点是,预制件材料的力学性质应与工程材料一致或相近;(2)对于钢筋混凝土结构,可将光纤粘结到钢筋上,一方面钢筋可保护光纤,另一方面钢筋的受力、变形足以反应结构的内部应力、应变状态;(3)在工程中埋入经过特殊保护的光缆或光纤束;(4)先采用小导管保护,在粘结剂固化之前将小导管拔出。一般而言,光纤的物理力学性能与岩土工程介质材料不一致。弹模不一致会导致光纤传感器所在处的混凝土产生应力集中。当温度膨胀系数不同时,温度变化会导致热应力。研究表明:当光纤直径较小,即被覆层不是太厚时,这些影响都是可以忽略的,特别是将光纤粘接于混凝土结构中的钢筋时效果很好,或将光纤粘接、埋设于与工程介质力学性质相似的构件中再埋置于工程中。
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