光纤检测技术在工程中的应用

1、 光纤感应光纤感应检测检测技术在工程中的应用技术在工程中的应用 1.概述 光纤检测技术是20世纪70年代末发展起来的一门新技术,它是利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长(或频率)等特征参量发生变化,从而对外界因素进行检测和信号传输的技术称为光纤检测技术。光纤传感器的特点 光纤传感器用光而不用电作为敏感信息的载体,用光纤而不用金属导线作为传递敏感信息的媒介,具有径细、柔韧、体积小、质量小、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、能耗小、造价低廉、便于实现分布式和准分布式检测、集信息传输和传感于一体等特点,还有宽频带和高数据传输率及耐高温、抗腐蚀等优良特性。 可应用

2、于压力、温度、位移、振动、应变、加速度、电压、电流、磁场、流量、浓度、pH值等各种量的测量。光纤检测技术的基本原理 根据几何光学原理，当光线以角度0(与光纤轴线的交角)从折射率为n0的空气中射入纤芯，并以法线角1射到纤芯一包层界面上，如果1大于全反射临界角度c,则每次全反射后，子午光线就按照通过波导轴线的锯齿形路径沿光纤纤芯行进，如图1所示。根据Snell定律，能使子午光线发生全反射的最小角度c满足 Sinc=n2/n1 式中n1，n2:分别为纤芯和包层的折射率 小于c的角度射入纤芯包层界面的光线将折射出纤芯而在包层中传播或逸出光纤之外而散失。 当把光纤传感器埋入材料或者结构物当中时,外界待测

3、量的压力、温度等作用于光纤引起光纤几何参量或物理参量变化,对在光纤中传播的光波的特征参量(如强度、频率、相位、偏振等)产生调制,通过对调制光的检测,便能感知外界的信息,从而实现对各种物理量的测量。2.光纤检测技术应用现状 目前，应用在国内外岩土工程领域的光纤检测技术由其所应用的光纤传感器的原理主要分为以下几种类型 将通信用光纤直接或外加某种保护后埋入待测体中 布拉格光栅技术 OTDR技术 布里渊散射光时域分析法（BOTDA） 利用偏振保持光纤 基于光的干涉原理的 FP 传感器光纤光栅技术 因为 Bragg 光栅本身对特定波长的光有反射。当外部应力或应变使 Bragg 光栅的光栅周期发生改变时,

4、其所反射的波长也相应改变。利用光纤光栅解调仪测量反射波长的改变,再通过计算得到相应的应变(或应力)。 B和B分别是反射光的初始中心波长和中心波长的漂移量;和T分别是光纤所受的应变、温度变化量;光纤光栅技术特点 光纤光栅的制造、解调技术日趋成熟,使得光纤光栅成为光纤监测领域最为活跃的新生力量 光纤光栅的特殊制作工艺导致其在粗放型的工程环境中极易损坏，需要进行全面保护性封装 光纤光栅对应变、温度都极为敏感,在进行长期监测时两者的交叉效应不能忽略 光纤光栅的技术检测精度高，可集成性高，数据采集频率高光纤光栅技术布里渊散射光时域分析法（BOTDA） 布里渊散射是光波与声频声波在光纤中传播时相互作用而产

5、生的光散射过程,其后向散射光频率相对于入射光有一个频率偏移，称为布里渊频移。当光纤受力或温度变化时,布里渊频移将发生相应的线形变化,利用布里渊光时域反射计(BOTDR)对光信号解调即可测出相应的应力或温度变化。 式中:Y B(,T)和Y B( 0,T 0)分别为测试前后光纤中布里渊散射光的频移量;和 0分别为测试前后的轴向应变值;T和T 0分别为测试前后的温度值;布里渊散射光时域分析法（BOTDA）特点 它是一种完全分布式的应变、温度监测技术,光纤本身集传感、传输于一体,易于实现网状监测。该技术的布设工艺相对简单,只需将传感光纤按照一定的规律敷设在边坡体表面或埋入支护体系中。由于传感光纤为普通

6、单模光纤(或光缆),监测成本可以得到较好的控制。 该技术基于光纤的双端解调,因此现场布线时必须做好防止光纤断裂的保护工作,或者采取预设后备光纤的措施 在数据解调方面,由于每次测试需要一定的频谱扫描时间(通常为几秒到几分钟之间),因此无法实现高频数据采集;Fabry- Perot光纤传感器的传感技术 Fabry Perot传感器是以干涉测量法为测量原理。使用的是宽频白光光源。传感器内部包含两个面对面的半反射镜,两镜之间的间隙被称为F P腔长度(Lc),两单独焊点之间的距离为仪器长度(Lg),它规定了传感器的工作范围和灵敏度。由读出装置发射的白光一部分被第一个半反射镜反射,另一部分穿过F P腔后被

7、第二个半反射镜部分反射。两组反射光发生干涉并返回到读出装置的检测器上。通过检测干涉光的变化得出腔长Lc的变化而当仪器被粘结于一被测物体上时,物体的应变直接转变为腔长变化,而且由公式:法布里 泊罗(FP)传感器，这就要求干涉条纹清晰,从而要求两路干涉光的光强相等，使光纤光路的灵活和连接的方便等优点大打折扣，而且它是一种过程传感器，而不是状态传感器,必须要有一个固定参考点,这样就给传统光纤传感器的应用带来了难度。3.光纤检测技术应用于岩土工程的关键问题研究 光纤的埋设 光纤埋设对工程结构强度的影响光纤的埋设 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

8、程(如边坡)等,可采用人工打钻孔的方法,埋设光纤。 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。光纤埋设对工程结构强度的影响 光纤埋设对新建的岩土工程(如土石坝)的强度的影响比较小,因为光纤比较小,光纤的高分子被覆层耐腐蚀性好,强度高。对原有的岩土工程(如边坡)须采用钻孔的方法来埋设光纤,那么它对工程结构强度的影响就不可忽略了。为了尽量减小这种影响,应尽量采用小钻孔,最好将光纤粘结于钢筋上,再将它埋入钻孔中,用水泥将它与工程介质固定。 综上所述,光纤检测技术因为其自身优于其他传统检测技术的优势,在岩土工程领域的应用发展迅速。其缺