光纤传感器的工程应用及发展趋势

1 光纤传感器的工程应用及发展趋势光纤传感器的工程应用及发展趋势 摘要 摘要 对光纤传感器的应用概况进行了详细综述 总结比较了几种成熟的光纤传感器的优 缺点 针对隧道的具体应用 提出了一套点面结合的综合技术解决方案 指出了目前光纤 传感器在工程应用上急需解决的一些问题及其发展趋势 关键词 关键词 光纤传感器 光纤光栅 安全监测 一 引言一 引言 近年来公路交通基础建设迅速发展 隧道和桥梁工程的建设规模大 环境 条件复杂 建设速度快 所以对其长期运行的安全性必须进行在线监测 才能 有效预防安全事故的发生 避免造成生命和财产的重大损失 公路隧道和桥梁 的地质灾害不仅影响公路交通的安全 造成生命和财产的损失 而且影响经济 的快速稳定发展 公路隧道和桥梁发生的灾害主要包括隧道局部的坍塌 渗漏 以及火灾 桥梁局部裂缝 崩塌等 传感技术是这些工程安全监测的基础和支 柱 而随着工程难度和环境条件日趋复杂 传统的传感技术已愈来愈显示出它 的局限性 如抗干扰能力和抗恶劣环境能力差 长期稳定性差 难以实现现场 非电 大容量 远程分布式 数字化监测等 光纤传感技术正是在这种背景下 自20世纪70年代初诞生以来 就受到了世界范围内的广泛重视 并取得了持续 和快速的发展 成为这些大型工程安全监测的首选传感器 因此 近年来光纤 传感器逐渐的代替了电阻应变片传感器 在大型土木工程中获得了广泛的应用 1 4 1 4 二 应用与发展概况二 应用与发展概况 1989年美国布朗大学的Mendez 等人 5 5 首先提出了将光纤传感器用于钢筋混 凝土结构和建筑检测的可能性 之后 美国 加拿大 英国 德国 日本 瑞 士等国 纷纷将光纤传感技术应用于桥梁等建筑物的安全监测 加拿大卡尔加 附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上 对桥梁结构进行长期监测 1999 年夏 在美国新墨西哥Las Cruces 10 号州际 高速公路的一座钢结构桥梁上 安装了120 个光纤光栅传感器 创造了当时在 一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录 德国的GFZ Potsdam 开发的光纤 光栅应变传感器用于探测岩石构成和岩石工程 包括隧道 洞穴 坑道 深层地 基 的静态和动态应变 开发的光纤光栅地震成像系统用于地下煤矿坑道的安全 监测等等 欧洲的STABILOS 计划中开发的光纤光栅传感系统用于对瑞士Mont Terri 隧道和矿井主梁的长期静态位移监测等 近年来 以加拿大渥太华大学 2 和瑞士联邦工学院为代表的分布式布里渊光纤传感技术 BOTDA BOTDR 成为研究 的热点 广泛应用于石油管道 市政工程 电力电线等安全在线监测 90年代初 我国开始了光纤传感技术的应用研究 清华大学 同济大学 重庆大学 哈尔滨工业大学 武汉理工大学等院校已对光纤光栅传感器应用于 桥 梁检测进行了大量研究 并进行了一些工程应用 取得了较好的效果 而且 武汉理工大学在光纤光栅解调仪的研发上取得了很大成功 6 8 6 8 主要技术参数 达到国际同类产品的水平 2003 年6 月 同济大学主持的卢浦大桥健康检测项 目中 采用了光纤光栅传感器 用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度 变化情况 该项成果还在东海大桥结构健康监测系统设计中得到了体现 9 9 南 京大学主要对布里渊光时域反射 BOTDR 技术的工程应用进行了大量的工作 在 玄武湖隧道监测项目中取得了较好的效果 石家庄铁道学院大型结构健康诊断 与控制研究所在山西小沟特大桥健康监测中 使用FBG 应变传感器监测大桥的 受力情况 并结合小沟桥自身特点 采用模态动能法 即挑选振幅较大的点或者 模态动能较大的点来布设传感器 共布设73 个FBG 应变传感器 达到良好的监 测效果 10 10 中铁隧道集团采用光纤布喇格光栅传感技术对广州地铁五号线小北 站暗挖区间隧道进行了监测研究 包括监测设备比选 监测系统设计 传感器封 装及保护 数据处理与分析 现场每个监测断面设计铺设6 个FBG 钢筋应力计 传感器 2 个FBG 混凝土应变计和1 个FBG 温度传感器 所有传感器只敷设在 拱顶和边墙上 研究表明FBG 传感技术用于地下工程的监测十分可行 为FBG 传 感技术用于地下工程的监测提供重要参考 11 11 北京科技大学和昆明理工大学以 昆明白泥井3 号隧道为实例 提出FBG 传感器在隧道内的铺设方案及温度补偿 技术 FBG 监测系统覆盖隧道的一段 共选取10 个断面按 型 布置 进 行绕拱变形监测 监测线路采用全面接着方法 经过对隧道进行8 个月的定期 监测 分析结果表明 FBG 可准确地测出隧道的应变分布 将其应用于隧道变 形监测中是可行和有效的 验证FBG 监测系统的可靠性 中国计量学院主要研 发喇曼光时域反射 ROTDR 技术 目前产品已经在国内多家单位应用 主要性 能指标达到国际先进水平 三 几种主要的光纤传感技术三 几种主要的光纤传感技术 应用于工程领域的光纤传感技术主要有光纤光栅 FBG 瑞利散射光时域 反射 OTDR 和喇曼光时域反射 ROTDR 布里渊光时域反射 BOTDR 或布里 渊 光时域分析 BOTDA 各种技术的性能特点的比较如表1 所示 表1 几种光纤传感技术的性能特点 3 每种光纤传感技术的特点不同 适用于不同的监测对象 FBG 技术主要进 行点式高精度监测 具有高速实时监测的性能 适用于桥梁 隧道的重点部位的 监测 成本适中 但是其监测点数有限并存在盲区 瑞利OTDR 技术检测应变的 精度很低 成本低 可实现分布式监测 适用于大应变范围的监测 比如滑坡 等 最近发展的基于相干瑞利散射的相位敏感OTDR技术 可适用于周界入侵以 及振动的监测 精度高 成本较低 引起广泛重视 12 12 ROTDR 技术主要用于分 布式温度监测 成本适中 适用于建筑物的渗漏情况 火灾情况的监测 BOTDR BOTDA 技术主要用于长距离分布式应力监测 成本高 可用于大中型建筑 工程的长期稳定性监测 如大型堤防工程 桥梁 隧道等的整体情况的监测 四 典型应用方案四 典型应用方案 点面结合的隧道安全监测系统的组成如图1 所示 传感技术 FBG 瑞利OTDR ROTDRBOTDR BOTDA 监测物理量应变 温度大应变温度应变 温度 精度1 0 10 很低 1 20 30 3 50 测量距离 1 10km 10 30km 10 50km 10 80km 测点数 数百点分布式 分布式 分布式 位置分辨率点间距 1m 1 5m 1 5m 测量时间小于1 秒1 分钟1 2 分钟1 2 分钟 价格传感器较贵 检测仪较贵 光缆便宜 检测仪便宜 光缆便宜 检测仪较贵 光缆便宜 检测仪昂贵 优点精度高价格低分布式分布式 缺点监测点数有限监测大应变仅监测温度系统昂贵 4 图1 隧道监测系统方案示意图 中央监控装置由PC 机和系统软件构成 是对整个子系统进行管理的监控平 台 应变解调仪用来监测隧道的结构应力情况 而温度解调仪用来监测隧道内 的渗漏情况和火灾情况 传感光纤沿隧道内壁布设 可以铺设多条传感光纤进 行多种物理量的同时测量 温度传感系统采用分布式光纤喇曼温度解调仪 应 力传感包括FBG 波长解调仪和BOTDR 分布式应力分析仪 隧道内结构应变的整 体情况由BODTR 监测 局部重点部位的应变情况由FBG 传感系统监测 构建点 面结合的全方位监测体系 监测系统每隔0 5 1 分钟可以显示隧道的安全信息 五 急需解决的问题五 急需解决的问题 1 隧道和桥梁监测中的动态 静态测试技术主要针对隧道和桥梁在静 态测试以及动态测试中的关键技术研究 2 光纤传感器的布设方式研究光纤传感器的布设方式直接影响监测的 准确性 为此需要结合工程的具体环境条件 研究不同的布设方式对传感系统 的影响 3 预警系统的软件开发对光纤传感器采集的数据进行处理分析 当隧 道和桥梁内结构应变或者应变的变化速率超过设定值时 发出预警信号 4 研究自然环境变化对传感系统的影响比如暴雨 大风 爆晒 气温 变化对传感系统的可靠性和准确性的影响 以上这些问题的解决 无疑将大大推进光纤传感器的市场应用进程 六 发展趋势六 发展趋势 1 系统集成技术在一个安全监测工程中采用多种光纤传感技术 点面 结合 获取被测对象的全面信息 从而有助于提高监测的准确性 2 组网技术将网络技术应用于多点式和分布式光纤传感器系统 组成 新型的光纤传感测量网络 与因特网 无线网结合起来 组成智能传感通信网 络 技术 5 3 重大工程安全监测光纤传感系统工程模拟和仿真研究利用热 力学原 理 根据实际工程 建立仿真模型 结合传感数据 进行模拟和仿真研究 以 获得最大着力点 最大热点和温度场 应力应变场分布 进一步获得最佳监测 和预警方案 七 结论七 结论 光纤传感技术经过20 多年的发展 解决了许多实际应用中的问题 光纤 传感器在安全监测方面的应用研究已越来越引起人们的重视 近年来光纤传感 器逐渐的代替了电阻应变片传感器 在大型土木工程中获得了广泛的应用 成 为这些大型工程安全监测的首选传感器 光纤传感器在其今后的发展中 还有 许多实际工程应用方面的问题急需解决 以实现光纤传感器的市场化应用 参考文献 参考文献 1 卢哲安 江志学 石玉华 光纤光栅传感技术在桥梁监测中的应用研究 J 武汉理工大 学学报 2003 25 11 57 59 2 张东生 李微 郭丹 等 基于光纤光栅振动传感器的桥梁索力实时监测 J 传感技术学 报 2007 20 12 2720 2723 3 苏木标 杜彦良 孙宝臣 等 芜湖长江大桥长期健康监测与报警系统研究 J 铁道学报 2007 29 2 71 76 4 王佶 南秋明 李跃 光纤光栅传感技术在特大跨桥梁施工监测中的应用 J 河南科技大 学学报 2007 28 4 46 49 5 MENDEZ A MERSE TF MENDEZ F Application of embedded optical Fiber Sensors in reinforce concrete buildings and structures J Proc Of SPIE 1989 1171 60 69 6 范典 姜德生 梅加纯 高速双边缘光纤光栅波长解调技术 J 光子学报 2006 35 1 118 121 7 胡勇勤 光纤光栅传感器的解调方法的研究 J 自动化与仪器仪表 2004 5 11 14 8 哀微 姜德生 FBG 温度传感的多路解调方法 J 传感器技术 2003 22 9 5 25 9 孙汝蛟 孙利民 孙智 FBG 传感技术