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1、光纤传感器的工程应用及发展趋势摘要：时光纤传感涔的应用概配进行了具体徐述，总结比较了几种成熟的光纤f感涔的优缺点.针对隧道的具体应用,提出了一套点面结合的踪介技术解决方案.指出了目前光纤传好器在工程应用上急需解决的一些问遨及其发展趋势.关健词：光纤传整器；光纤光梗：平安监测一.引言近年来马路交通基础建设快速发展，隧道和桥梁工程的建设规模大，环境条件困琲,建设速度快，所以对其长期运行的平安性必需进行在线监测,才能仃效预防平安事故的发生，避开造成生命和财产的重大损失。马路隧道和桥梁的地质灾难不仅影响马路交通的平安，造成生命和财产的损失，而且影晌经济的快速稳定发展。马路陞道和桥梁发生的灾难主要包括隧
2、道局部的坍塌、渗漏以及火灾，桥梁局部裂缝、倒塌等0传感技术是这些工程平安监测的基础和支柱.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，就受到了世界范困内的广泛全视，并取得了持续和快速的发展，成为这些大型工程平安监测的首选传感器。因此，近年来光纤传感器渐渐的代替了电阻应变片传感器，在大型土木工程中获得r广泛的应用“Y.,二.应用与发展概况1989年美国布朗高校的MendeZ等人S首先提出了将光纤传感涔用于钢筋混
3、凝土结构和建筑检测的可能性。之后，美国、加案大、英国、德国、日本、瑞士等国，纷纷符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BeddingtonTrai1.大桥是最早运用光纤光栅传感潜进行测量的桥梁之一，16个光纤光椭传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增加杆和炭纤夏令材料筋上.对桥梁结构进行长期监测.1999年虬在美国新墨西哥1.aSCruces10号州际高速马路的一座钢结构桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，创建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、深忆地基)的静态和
4、动态应变，开发的光纤光栅地施成像系统用于地下煤矿坑道的平安监测等等。欧洲的STABn.OS安排中开发的光纤光栅传感系统用于对瑞士MOnt-TCrri陵道和矿井主梁的长期睁态位移监测等.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)成为探讨的热点，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讨。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己时光纤光栅传感器应用于桥梁检测进行了大量探讨，并进行了一些工程应用，取得了较好的效果。而且，武汉理工高校在光纤光极解调仪的研发上取得了
5、很大胜利I，主要技术参数达到国际同类产品的水平.2003年6月，同济高校主持的卢浦大桥健康检测项目中，采纳了光纤光韧传感器，用于检测大桥在各种状况下的应力应变和温度改变状况。该项成果还在东海大桥结构健康监测系统设计中得到了体现回南京高校主要对布里渊光时域反射（BOTDR）技术的工程应用进行了大量的工作,在玄武湖隧道监测项目中取得了较好的效果。石家庄铁道学院大型结构健康诊断与限制探讨所在山西小沟特大桥健康监测中，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,采纳模态动能法,即选择振幅较大的点或拧模态动能较大的点来布设传感器，共布设73个FBG应变传桃器，达到良好的监测效果t1.W
6、中铁隧道集团采纳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陞道进行了监测探讨，包括监测设备比选、监测系统设计、传感器封装及爱护、数据处理与分析.现场每个监测断面设计铺设6个FBG创筋应力计传感器、2个I-BG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。探讨表明FBG传感技术用于地下工程的监测非常可行，为FBG传感技术用于地下工程的监测供应重要参考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“Q型”布置，进行绕拱变形监测，监测线路采纳全面接岩方法。经过对隧
7、道进行8个月的定期监测，分析结果表明，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，主要性能指标达到国际先进水平。=.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（B0TDA.各种技术的性能特点的比较如表I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监测物理累应变、
8、温度大应变应变、温度精度1.,0.10eC很低12030,350C测I1.距离I-IOkm10-30km1050km1080km测点数数百点分布式*分布式*分布式*位置辨别率点间距Im1.5m1.5m测时间小于1秒1分仲1-2分钟12恻价格传感器皎贵.光缆便宜，光缆便宜，光缆便宜，检测仪较贵检测仪便宜检测仪较贵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技术主要进行点式高精度监测，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，成本适中，但是其监测点数有限并存在盲区。瑞利OTDR技术检测应变
9、的精度很低，成本低，可实现分布式监测，适用于大应变能围的监测，比如滑坡等。最近发展的基于相干瑞利敌射的相位敏感OTDR技术，可适用于周界入侵以及振动的监测，精度高，成本较低，引起广泛重视tujROTDR技术主要用分布式温度监测，成本适中，适用于建筑物的渗漏状况、火灾状况的监测。B0TDRB()TI)技术主要用于长距离分布式应力监测,成本高，可用于大中型建筑工程的长期稳定性监测，如大盘堤防工程、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琏道监激系统方案示超图S1K+y中心监控装巴由PC机和系统软件构成，是对整个子系统进行管理的监控平台。应变解调
10、仪用来监测陂道的结构应力状况，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行多种物理量的同时测量。温度传感系统采纳分布式光纤喇燮温度解调仪。应力传感包括FBG波长解调仪和BOTDR分布式应力分析仪。隧道内结构应变的整体状况由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/冷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讨.（2）光纤传感器的布设方式探讨光纤传感器的布设方式干脆影响监测的精确
11、性，为此须要结合工程的具体环境条件，探讨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行处理分析，当隧道和桥梁内结构应变或者应变的改变速率超过设定值时，发出预警信号。（4）探讨自然环境改变对传感系统的影响比如暴雨、大风、爆的、气温改变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.发展趋势（1）系统集成技术在一个平安监测工程中采纳多种光纤传感技术，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罂系统，组成新型的光纤传感测用网络，与因特网，无线网
12、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讨利用热、力学原理，依据实际工程，建立仿真模型，结合传感数据，进行模拟和仿真探讨，以获得最大着力点、最大热点和温度场、应力应变场分布，进一步获得最佳监测和预警方案。七,结论光纤传感技术经过20多年的发展，解决了很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讨已越来越引起人们的重视.近年来光纤传感器渐渐的代替了电阻应变片传感器，在大型土木工程中获汨了广泛的应用，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发展中，还有很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。叁考文献
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