概述基于光纖傳感技術(shù)的結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

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))計劃。早期的光纖傳感器因為存在價格昂貴、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，高絕緣強度以及耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌帶等優(yōu)點。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特的優(yōu)點而被引入土木工程，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)生變化的光再進入光調(diào)制機構(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(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，信號輸出自動化。

3 光纖傳感器的分類及特點

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、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,通過在輸出端進行光信號處理而進行測量的，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。

3.2 光纖傳感器的特點

研究和工程應(yīng)用表明光纖傳感器具有如下特點：

⑴高靈敏度，抗電磁干擾。由于光纖傳感器檢測系統(tǒng)很難受到外界場的干擾，且光信號在傳輸中不會與電磁波發(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(tǒng)的檢測中得到了廣泛應(yīng)用。

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

⑶測量的頻帶寬、動態(tài)響應(yīng)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、磁場、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(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制。

4 光纖傳感器土木工程中的應(yīng)用舉例

隨著光纖傳感技術(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(yīng)用，用來測量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測大型結(jié)構(gòu)、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(yīng)變傳感器使用。

光纖傳感器可以黏貼在結(jié)構(gòu)物表面用于測量，同時也可以通過預(yù)埋實現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測量。利用預(yù)先埋入的光纖傳感器，可以對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過程中內(nèi)部應(yīng)變的測量，再根據(jù)荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線斜率，可確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的形成和擴展方式。通過混凝土實驗表明，光纖測試的載荷－應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測試的線性度高。

在實際的工程應(yīng)用中要實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)建筑物的全方位、長期的檢測就要解決好光纖傳感器的布設(shè)問題。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(dǎo)管套在光纖傳感器上，一起置于混凝土結(jié)構(gòu)中?；炷翝仓螅诨炷凉探Y(jié)前將金屬導(dǎo)管取出，這樣光纖光柵傳感器與混凝土很好地固結(jié)在一起，而且不會因為澆筑過程損壞傳感器。②由于鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)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，或在鋼筋表面開一個小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進凹槽得以保護，或在建造橋時把光纖埋進復(fù)合筋。③將光纖光柵直接埋入小型預(yù)制構(gòu)件或者封裝在金屬導(dǎo)管中然后把小型預(yù)制構(gòu)件作為大型構(gòu)件的一部分埋入，外部荷載通過預(yù)制件或金屬導(dǎo)管傳遞到光纖光柵傳感器上。

5 結(jié)語

光纖傳感器進入結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域具有重要意義。光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長期穩(wěn)定性，使其能夠方便的應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)和混凝土等各種建筑材料的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變檢測。實現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)的健康檢測。