概述基于光纖傳感技術(shù)的結構檢測技術(shù)

1 引言

光纖傳感器技術(shù)研究最早開(kāi)始于1977 年，美國海軍研究所開(kāi)始執行由查爾斯.M. 戴維斯博士主持的Foss(光纖傳感器系統)計劃。早期的光纖傳感器因為存在價(jià)格昂貴、技術(shù)不夠成熟等問(wèn)題，在工程上沒(méi)有得到廣泛的應用。光纖傳感技術(shù)具有極高的靈敏度和精度，良好的抗電磁場(chǎng)干擾能力，高絕緣強度以及耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌帶等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)光傳感器技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高，光纖傳感器的應用得到了大力推廣，很多國家不遺余力地加大對光纖傳感器的研究力度。近年來(lái)光纖傳感器在機械、電子儀器儀表、航天航空、石油、化工、生物醫學(xué)、食品等工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制、在線(xiàn)檢測、故障診斷等方面有著(zhù)廣泛的應用。

近年來(lái)，光纖傳感器由于其獨特的優(yōu)點(diǎn)而被引入土木工程，廣泛應用于建筑結構應變及橋梁結構健康監測、混凝土力學(xué)性能測試及檢測等領(lǐng)域。本文介紹了光纖傳感的基本原理及其應用，對光纖傳感器在土木工程中的應用進(jìn)行了展望。

2 光纖傳感器基本原理

隨著(zhù)工藝水平的提高，光纖技術(shù)目前相對成熟。光纖傳感器即為應用光纖傳輸的基本原理組合的一個(gè)廣電感應系統。通常的光纖傳感系統由光源、光導纖維、光傳感元件，光調制元件和信號處理部分組成[3]。其工作原理如下圖所示：光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光導纖維進(jìn)入光傳感元件，而在光傳感元件中受到周?chē)h(huán)境場(chǎng)的影響而發(fā)生變化的光再進(jìn)入光調制機構，由其將傳感元件測量的參數調制成幅度、相位、偏振等信息，這一過(guò)程稱(chēng)為光電轉換過(guò)程，最后利用微處理器進(jìn)行信號分析。

如前所述可以看出光纖傳感器的傳感機理和電磁傳感器的傳感機理是相似的，但是光纖傳感器由于其測量信號的載體是激光，其在光導纖維內部傳播，很難受到外界電磁場(chǎng)干擾，因此適合復雜工況下的檢測，且操作方便靈活，信號輸出自動(dòng)化。

3 光纖傳感器的分類(lèi)及特點(diǎn)

3.1 光纖傳感器的分類(lèi)

3.1.1 光纖傳感器的分類(lèi)有不同的方式

按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類(lèi)型。

傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用，同時(shí)又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對光纖自身的影響，待測量的物理量通過(guò)光纖作用于傳感器上，使光波導的屬性(光強、相位、偏振態(tài)、波長(cháng)等)被調制。傳感器型光纖傳感器又分為光強調制型、相位調制型、振態(tài)調制型和波長(cháng)調制型等。

3.1.2 傳光型光纖傳感器

傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過(guò)被測對象所調制的光信號輸入光纖后,通過(guò)在輸出端進(jìn)行光信號處理而進(jìn)行測量的，這類(lèi)傳感器帶有另外的感光元件對待測物理量敏感，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠對光纖所傳遞的光進(jìn)行調制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據其測量范圍還可分為點(diǎn)式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來(lái)檢測大型結構的應變分布，可以快速無(wú)損測量結構的位移、內部或表面應力等重要參數。目前用于土木工程中的光纖傳感器類(lèi)型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，Fabry-pero 腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。

3.2 光纖傳感器的特點(diǎn)

研究和工程應用表明光纖傳感器具有如下特點(diǎn)：

⑴高靈敏度，抗電磁干擾。由于光纖傳感器檢測系統很難受到外界場(chǎng)的干擾，且光信號在傳輸中不會(huì )與電磁波發(fā)生作用，也不受任何電噪聲的影響，由于這一特征，光纖傳感器在電力系統的檢測中得到了廣泛應用。

⑵光纖具有很好的柔性和韌性，所以傳感器可以根據現場(chǎng)檢測需要做成不同的形狀。

⑶測量的頻帶寬、動(dòng)態(tài)響應范圍大。

⑷可移植性強，可以制成不同的物理量的傳感器，包括聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力、溫度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等。

⑸可嵌入性強，便于與計算機和光纖系統相連，易于實(shí)現系統的遙測和控制。

4 光纖傳感器土木工程中的應用舉例

隨著(zhù)光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，在土木工程領(lǐng)域光纖傳感器得到了廣泛的應用，用來(lái)測量混凝土結構變形及內部應力，檢測大型結構、橋梁健康狀況等，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應變傳感器使用。

光纖傳感器可以黏貼在結構物表面用于測量，同時(shí)也可以通過(guò)預埋實(shí)現結構物內部物理量的測量。利用預先埋入的光纖傳感器，可以對混凝土結構內部損傷過(guò)程中內部應變的測量，再根據荷載－應變關(guān)系曲線(xiàn)斜率，可確定結構內部損傷的形成和擴展方式。通過(guò)混凝土實(shí)驗表明，光纖測試的載荷－應變曲線(xiàn)比應變片測試的線(xiàn)性度高。

在實(shí)際的工程應用中要實(shí)現對結構建筑物的全方位、長(cháng)期的檢測就要解決好光纖傳感器的布設問(wèn)題。為了不至于對傳感器造成施工損傷破壞，一般可以采用以下方法：①將一金屬導管套在光纖傳感器上，一起置于混凝土結構中?；炷翝仓?，在混凝土固結前將金屬導管取出，這樣光纖光柵傳感器與混凝土很好地固結在一起，而且不會(huì )因為澆筑過(guò)程損壞傳感器。②由于鋼筋的應力－應變也足以反映鋼筋附件的混凝土受力狀態(tài)，可以將光纖光柵傳感器直接粘貼于鋼筋上，或在鋼筋表面開(kāi)一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽得以保護，或在建造橋時(shí)把光纖埋進(jìn)復合筋。③將光纖光柵直接埋入小型預制構件或者封裝在金屬導管中然后把小型預制構件作為大型構件的一部分埋入，外部荷載通過(guò)預制件或金屬導管傳遞到光纖光柵傳感器上。

5 結語(yǔ)

光纖傳感器進(jìn)入結構監測領(lǐng)域具有重要意義。光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長(cháng)期穩定性，使其能夠方便的應用于建筑鋼結構和混凝土等各種建筑材料的內部應力、應變檢測。實(shí)現的建筑結構的健康檢測。