基于光纖傳感技術(shù)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)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(guó)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(chǎng)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(guó)家不遺余力地加大對(duì)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(cè)、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(cè)、混凝土力學(xué)性能測(cè)試及檢測(cè)等領(lǐng)域。本文介紹了光纖傳感的基本原理及其應(yīng)用，對(duì)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(duì)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(hào)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(chǎng)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(cè)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(hào)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(cè)量信號(hào)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(chǎng)干擾，因此適合復(fù)雜工況下的檢測(cè)，且操作方便靈活，信號(hào)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(duì)光纖自身的影響，待測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)對(duì)象所調(diào)制的光信號(hào)輸入光纖后,通過在輸出端進(jìn)行光信號(hào)處理而進(jìn)行測(cè)量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對(duì)待測(cè)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(cè)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(cè)大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以快速無損測(cè)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(diǎn)

研究和工程應(yīng)用表明光纖傳感器具有如下特點(diǎn)：

⑴高靈敏度，抗電磁干擾。由于光纖傳感器檢測(cè)系統(tǒng)很難受到外界場(chǎng)的干擾，且光信號(hào)在傳輸中不會(huì)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(cè)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(chǎng)檢測(cè)需要做成不同的形狀。

⑶測(cè)量的頻帶寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大。

⑷可移植性強(qiáng)，可以制成不同的物理量的傳感器，包括聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力、溫度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等。

⑸可嵌入性強(qiáng)，便于與計(jì)算機(jī)和光纖系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)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(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測(cè)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(cè)量，同時(shí)也可以通過預(yù)埋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測(cè)量。利用預(yù)先埋入的光纖傳感器，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過程中內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)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(kuò)展方式。通過混凝土實(shí)驗(yàn)表明，光纖測(cè)試的載荷-應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測(cè)試的線性度高。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中要實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)建筑物的全方位、長(zhǎng)期的檢測(cè)就要解決好光纖傳感器的布設(shè)問題。為了不至于對(duì)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?，在混凝土固結(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(huì)因?yàn)闈仓^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(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽得以保護(hù)，或在建造橋時(shí)把光纖埋進(jìn)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(yǔ)

光纖傳感器進(jìn)入結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要意義。光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長(zhǎng)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(cè)。實(shí)現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)。