基于光纖傳感技術(shù)的結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)概述

1 引言

光纖傳感器技術(shù)研究最早開始于1977 年，美國海軍研究所開始執(zhí)行由查爾斯.M. 戴維斯博士主持的Foss(光纖傳感器系統(tǒng))計(jì)劃。早期的光纖傳感器因?yàn)榇嬖趦r(jià)格昂貴、技術(shù)不夠成熟等問題，在工程上沒有得到廣泛的應(yīng)用。光纖傳感技術(shù)具有極高的靈敏度和精度，良好的抗電磁場干擾能力，高絕緣強(qiáng)度以及耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌帶等優(yōu)點(diǎn)。隨著光傳感器技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高，光纖傳感器的應(yīng)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。近年來光纖傳感器在機(jī)械、電子儀器儀表、航天航空、石油、化工、生物醫(yī)學(xué)、食品等工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制、在線檢測、故障診斷等方面有著廣泛的應(yīng)用。

近年來，光纖傳感器由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被引入土木工程，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變及橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)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(yīng)用，對光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

2 光纖傳感器基本原理

隨著工藝水平的提高，光纖技術(shù)目前相對成熟。光纖傳感器即為應(yīng)用光纖傳輸?shù)幕驹斫M合的一個(gè)廣電感應(yīng)系統(tǒng)。通常的光纖傳感系統(tǒng)由光源、光導(dǎo)纖維、光傳感元件，光調(diào)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)過光導(dǎo)纖維進(jìn)入光傳感元件，而在光傳感元件中受到周圍環(huán)境場的影響而發(fā)生變化的光再進(jìn)入光調(diào)制機(jī)構(gòu)，由其將傳感元件測量的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、偏振等信息，這一過程稱為光電轉(zhuǎn)換過程，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(jī)理和電磁傳感器的傳感機(jī)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(dǎo)纖維內(nèi)部傳播，很難受到外界電磁場干擾，因此適合復(fù)雜工況下的檢測，且操作方便靈活，信號輸出自動(dòng)化。

3 光纖傳感器的分類及特點(diǎn)

3.1 光纖傳感器的分類

3.1.1 光纖傳感器的分類有不同的方式

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光纖作用于傳感器上，使光波導(dǎo)的屬性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長等)被調(diào)制。傳感器型光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)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)過被測對象所調(diào)制的光信號輸入光纖后,通過在輸出端進(jìn)行光信號處理而進(jìn)行測量的，這類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?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據(jù)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檢測大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以快速無損測量結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)部或表面應(yīng)力等重要參數(shù)。目前用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，F(xiàn)abry-pero 腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。