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开展趋势摘要：对光纤传感器的应用概况进展了详细综述，总结比拟了几种成熟的光纤传感器的优缺点。针对隧道的详细应用，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开展趋势。关键词：光纤传感器；光纤光栅；平安监测一．引言近年来公路交通根底建立快速开展，隧道和桥梁工程的建立规模大，环境条件困难，建立速度快，所以对其长期运行的平安性必需进展在线监测，才能有效预防平安事故的发生，幸免造成生命和财产的重大损失。公路隧道和桥梁的地质灾难不仅影响公路交通的平安，造成生命和财产的损失，而且影响经济的快速稳定开展。公路隧道和桥梁发生的灾难主要包括隧道局部的坍塌、渗漏以及火灾，桥梁局部裂缝、倒塌等。传感技术是这些工程平安监测的根底和支柱。而随着工程难度和环境条件日趋困难，传统的传感技术已愈来愈显示出它的局限性，如抗干扰实力和抗恶劣环境实力差，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年头初诞生以来，就受到了世界范围内的广泛重视，并取得了持续和快速的开展，成为这些大型工程平安监测的首选传感器。因此，近年来光纤传感器慢慢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]。二．应用和开展概况1989年美国布朗高校的Mendez等人[5]首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土构造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平安监测。加拿大卡尔加旁边的BeddingtonTrail大桥是最早运用光纤光栅传感器进展测量的桥梁之一，16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增加杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁构造进展长期监测。1999年夏,在美国新墨西哥LasCruces10号州际高速公路的一座钢构造桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，缔造了当时在一座桥梁上运用光纤光栅传感器最多的纪录。德国的GFZPotsdam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、洞窟、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平安监测等等。欧洲的STABILOS准备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，以加拿大渥太华高校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)成为探究的热点，广泛应用于石油管道、市政工程、电力电线等平安在线监测。90年头初，我国起先了光纤传感技术的应用探究。清华高校、同济高校、重庆高校、哈尔滨工业高校、武汉理工高校等院校已对光纤光栅传感器应用于桥梁检测进展了大量探究，并进展了一些工程应用，取得了较好的效果。而且，武汉理工高校在光纤光栅解调仪的研发上取得了很大成功[6-8]，主要技术参数到达国际同类产品的水平。2003年6月，同济高校主持的卢浦大桥安康检测工程中，接受了光纤光栅传感器，用于检测大桥在各种状况下的应力应变和温度变更状况。该项成果还在东海大桥构造安康监测系统设计中得到了表达[9]。南京高校主要对布里渊光时域反射(BOTDR)技术的工程应用进展了大量的工作，在玄武湖隧道监测工程中取得了较好的效果。石家庄铁道学院大型构造安康诊断和限制探究所在山西小沟特大桥安康监测中，运用FBG应变传感器监测大桥的受力状况，并结合小沟桥自身特点,接受模态动能法,即选择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，到达良好的监测效果[10]。中铁隧道集团接受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展了监测探究,包括监测设备比选、监测系统设计、传感器封装及爱惜、数据处理和分析。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，全部传感器只敷设在拱顶和边墙上。探究说明FBG传感技术用于地下工程的监测特别可行,为FBG传感技术用于地下工程的监测供应重要参考[11]。北京科技高校和昆明理工高校以昆明白泥井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“Ω型”布置，进展绕拱变形监测，监测线路接受全面接着方法。经过对隧道进展8个月的定期监测，分析结果说明，FBG可精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监测系统的牢靠性。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，主要性能指标到达国际先进水平。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拟如表1所示。表1几种光纤传感技术的性能特点传感技术FBG瑞利OTDRROTDRBOTDR/BOTDA监测物理量应变、温度大应变温度应变、温度精度1με，0.10℃很低1~20℃30με，3~50℃测量距离1~10km10~30km10~50km10~80km测点数数百点分布式*分布式*分布式*位置辨别率点间距1m1~5m1~5m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，检测仪较贵光缆廉价，检测仪廉价光缆廉价，检测仪较贵光缆廉价，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技术主要进展点式高精度监测,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，本钱适中，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，本钱低，可实现分布式监测，适用于大应变范围的监测，比方滑坡等。最近开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，本钱较低，引起广泛重视[12]。ROTDR技术主要用于分布式温度监测，本钱适中，适用于建筑物的渗漏状况、火灾状况的监测。BOTDR/BOTDA技术主要用于长距离分布式应力监测,本钱高，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、隧道等的整体状况的监测。四．典型应用方案点面结合的隧道平安监测系统的组成如图1所示。图1隧道监测系统方案示意图中心监控装置由PC机和系统软件构成，是对整个子系统进展管理的监控平台。应变解调仪用来监测隧道的构造应力状况，而温度解调仪用来监测隧道内的渗漏状况和火灾状况。传感光纤沿隧道内壁布设，可以铺设多条传感光纤进展多种物理量的同时测量。温度传感系统接受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。隧道内构造应变的整体状况由BODTR监测，局部重点部位的应变状况由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平安信息。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探究。〔2〕光纤传感器的布设方式探究光纤传感器的布设方式干脆影响监测的精确性，为此须要结合工程的详细环境条件，探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展处理分析，当隧道和桥梁内构造应变或者应变的变更速率超过设定值时，发出预警信号。〔4〕探究自然环境变更对传感系统的影响比方暴雨、大风、爆晒、气温变更对传感系统的牢靠性和精确性的影响。以上这些问题的解决，无疑将大大推动光纤传感器的市场应用进程。六．开展趋势〔1〕系统集成技术在一个平安监测工程中接受多种光纤传感技术，点面结合，获得被测对象的全面信息，从而有助于提高监测的精确性。〔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，和因特网，无线网结合起来，组成智能传感通信网络技术。〔3〕重大工程平安监测光纤传感系统工程模拟和仿真探究利用热、力学原理，依据实际工程，建立仿真模型，结合传感数据，进展模拟和仿真探究，以获得最大着力点、最大热点和温度场、应力应变场分布，进一步获得最正确监测和预警方案。七．结论光纤传感技术经过20多年的开展，解决了许多实际应用中的问题。光纤传感器在平安监测方面的应用探究已越来越引起人们的重视。近年来光纤传感器慢慢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，成为这些大型工程平安监测的首选传感器。光纤传感器在其今后的开展中，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：[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探究[J].武汉理工高校学报，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.芜湖长江大桥长期安康监测和报警系统探究[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].河南科技高校学报，2007,28(4):46-49.[5]MENDEZA,MERSETF,MENDEZF.ApplicationofembeddedopticalFiberSensorsinreinforceconcretebuildingsandstructures[J].Proc.OfSPIE,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探究[J].自动化和仪器仪表，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传感技术在大型桥梁安康监测中的应用[J].同济高