光纤传感器的发展综述

李文婷;施凤英;查珑珑

【摘 要】对光纤传感器的原理、特点及国内外的发展情况作了论述，介绍了在实际测量中的一些具体应用，提出了光纤传感器在轨道交通地铁隧道结构的垂直方向和水平方向的位移及隧道的收敛位移测量的运用前景等，为光纤传感器的深入研究提供了一定的指导。%The paper indicates the principles and features for optical fiber sensor and its development at home and abroad, introduces the factual application in some measurement, and points out the application perspective of optical fiber sensor in the displacement in the vertical and horizontal directions of the tunnel structures of the track traffic and the convergence displacement measurement of tunnels, and provides certain direction for the deep research on optical fiber sensor. 【期刊名称】《山西建筑》 【年(卷),期】2011(037)029 【总页数】2页(P186-187)

【关键词】光纤传感器;监测;传感技术 【作 者】李文婷;施凤英;查珑珑

【作者单位】上海师范大学建工学院,上海201418;上海师范大学建工学院,上海201418;上海师范大学建工学院,上海201418 【正文语种】中 文

【中图分类】TU198

1 研究及实践概况 1．1 研究概况

随着科学和技术的飞速进步和经济的持续增长，当今现代工程结构的材料、结构形式和功能发生了重大变化，正在向超大化、复杂化、自动化、连续化、长期化等方向发展。目前还没有一个系统能对上述这些分布式、非线性、强结合、多变量和时变性复杂的系统进行有效监测和预报。早在20世纪80年代初，科学家和结构专家受自然界和生物体进化学习与思考的启发，提出了可根本解决工程结构整个生命周期内安全监控的一条崭新思路——智能材料与结构概念:使结构系统能像生物体一样，通过某种“感觉”而以预警、自适应调整、自修复等方式，预报以至消除危害性“病兆”，从而极大地提高关键工程结构构件的安全性和可靠性，为了解决这类问题，人们将传感器埋入使用阶段的结构中，发展出在线监测技术，赋予了结构的自感知功能，实现了智能土木结构的初级层次。人们又在在线监测的基础上结合了监测数据的智能处理机制，例如数据融合等技术，使得结构进一步具有了自诊断、自推理的能力。

近三十年来，随着控制工程的发展，多种驱动材料开始融入土木结构。利用自动控制机制，根据自诊断的结果，由耦合在结构中的驱动系统做出必要的反应，实现智能控制，达到智能土木结构的第三层次［1］。1978 年，加拿大 K．O．Hill等人［2］发现含锗光纤，观察到入射光和反射光在光纤内部形成干涉条纹能够导致纤芯折射率沿光纤轴线周期性变化，发现光纤中的光致光纤效应，并研制出世界上第一根Bragg光栅光纤。1989年，GMelt等人发明了紫外侧写入技术，不仅提高了光纤的写入效率而且可以通过变化两束相干光的夹角，改变Bragg光栅的周期，控制光纤Bragg波长。

1．2 光纤材料的实践概况

光纤材料的应用研究为土木工程领域注入了新的活力和内容，目前的应用研究集中以下方面的研究:

大型结构的应力、应变监测。对其施工及工作状态进行安全性评定的基础。利用光纤传感技术、形状记忆合金的电阻特性，压电材料的压电效应、半导体的压阻效应均可对土木结构的应力、应变实时在线监测。

裂缝探测。土木工程中大量采用钢筋混凝土结构，该类结构损伤的最初表现为混凝土开裂，裂缝可由外荷载或结构变形引起，也可能由混凝土结构内部徐变收缩导致。裂缝的出现不仅影响结构的外观与正常使用，而且严重时危及结构安全。因此，需要通过对裂缝出现位置、发生、发展监测后进行判断。

混凝土收缩应变监测。混凝土固化期间，不均匀的收缩应变是混凝土结构出现裂缝的主要原因之一，这种影响对大体积混凝土(如坝体、基础底板)较为严重，降低混凝土的整体性，削弱抗渗性能等。光纤传感器能够实时监测混凝土固化过程中的收缩应变，且结构简单、灵敏度高、防水、耐腐蚀。碳纤维混凝土的温敏性可实现材料的温度自监测。

振动监测。重要结构的整体或关键部位的振幅、额率的测量十分必要，传统的电容、电阻式加速度计等抗电磁干扰能力差，光纤传感器能弥补其不足，且具备远程传输功能，压电材料改变状态的变化速率极快，所以研究将其应用于结构振动的主动控制成为压电类智能结构的前沿和热点。

腐蚀监测。钢筋腐蚀是影响结构耐久性的主要原因之一。了解钢筋腐蚀状况，对防止结构耐久性失效引起的工程事故具有重要的意义。

疲劳监测。在疲劳试验中发现疲劳寿命丝(箔)无论是在拉伸或压缩状态下，其体积导电率会随疲劳次数发生不可逆的降低，利用这一特性，即可对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。同样碳纤维混凝土也有相同的疲劳性能。

2 共识

由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125 μm)、重量轻、耐高温性好(工作温度上限可达400℃～600℃)、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达几千米)、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域(如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等)的混凝土组件和结构中，测定其结构的内部应变状态，从而判断结构的安全性［3］。 光纤(Optical Fiber)是光导纤维的简称，20世纪后半叶光纤及光纤通讯技术的发展是信息革命的重要标志之一［4］。光纤作为光波的传输媒介，在通信领域中主要用于信息交换。但光纤本身属于一种物理媒介，许多因素都可以改变它的几何参数(如尺寸、形状)和光学参数(如折射率、模式)。和力求减少外部影响的光通讯应用不同，光纤传感反而是故意增强和测量这些外部因素对光纤的影响。光纤传感器在按探测外部扰动的方式实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化，会引起光纤内部传输光波参数的变化，而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术。

在过去的20年中，世界范围内，不仅在光纤通讯领域，而且在光纤传感器和系统的应用和开发方面的投资日益增大。与常规的电传感器相比，光纤传感器可以用于不利的环境条件，如强电磁场、高压、核辐射、爆炸和化学侵蚀性介质及高温环境。其小巧、灵活和低光信号传输损耗特性使得空间分布传感器阵列和网络可以用于医疗，或埋设在复合材料结构内，简言之，即基于光纤的“技术神经系统”的实现［4］。

近年来，传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术［5］，在全世界成了研究热门，已与光

纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感家族的一名新成员由于其优越的性能而备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，可以构成传感网络。

特别是其灵敏度比传统的传感器高几个数量级，可以测量压力、温度、应力(应变)、磁场、折射率、形变、微震动、微位移和声压等等，能用光纤传感技术测量的物理量已达到了70多种［6］。

1989年美国布朗大学(Brown University)的Mendez等人首次将光纤传感器用于钢筋混凝土结构的监测。此后，美、英、德、日等国对这方面作了大量的研究工作。 目前，国外发达国家将光纤光栅传感器作为土木工程结构健康监测的首选技术，用于应力监测、裂缝测量、温度监测、加速度测量等方面。

目前应用状况较好的光纤传感器产品除较简单的用于工业自动化的强度调制位置、位移和接近光纤传感器之外，便是干涉型光纤陀螺，现已应用于飞机、卫星、机器人和自动化机车、深层钻孔或机车，在军用领域用于导航、定向或稳定平衡系统［7］。

在20世纪90年代，达到一定商业化规模的光纤传感器越来越多，如用于工业过程控制的压力、振动和应变传感器或液位传感器，电力工业的电流和电压传感器，和用于化学工业、采矿和环境监测的气体和湿度传感器。 3 展望

随着上海经济的快速发展，不仅轨道交通建设规模愈来愈大，而且轨道交通建设速度也不断加快。继已经投入运营十二年的1号线、七年的2，3号线和两年的4号线之后，到2010年，将共建成11条线路，运营里程将达到400 km。然而，上海地铁主要穿越的第④层土为软土，其具有孔隙比大、天然含水量高、渗透性弱、压缩性高、抗剪强度低和结构性强的特点，这种软土地基在连续不断的行车荷载作用下，即便是经过长期固结过程的软土地基也会产生不同程度的沉降，地铁运营过

程中施加于其上的长期周期循环荷载所产生对其强度和变形的影响愈来愈明显。如日本某铁路在开通运行5年后的最大沉降近1 m，同时伴有冒泥现象;截止2006年年底，1号线隧道有18处总长近1 km的隧道出现较大的差异沉降，最大累计沉降已经超过30 cm(黄陂南路站—新闸路站)，黄陂南路站—人民广场站(上行线)之间宁海西路泵站附近50 m的曲率半径只有7 031 m，这已经严重影响了地铁的平稳、正常、安全运营。

另外，隧道结构周围的土木工程项目的施工同样会引起地铁隧道结构的变形。对地铁隧道结构的长期差异沉降和施工的加载和卸载所引起的变形的有效监测是保证地铁隧道结构安全和地铁安全运营的首要条件。

在目前的工程实践中，主要测量地铁隧道结构的垂直方向和水平方向的位移及隧道的收敛位移，通过位移控制标准控制施工的相关参数。其实，根据连续介质力学可知，隧道结构一点的位移与该点的应变具有特定的关系，因此，只要通过试验和理论研究得出隧道结构的应变变化规律，隧道结构的应变同样可以成为地铁安全保护的技术指标，同样可以建立隧道结构的应变安全保护技术标准。

通过应变可以直接计算出测点的应力增量，再根据隧道结构的强度判断结构的安全性及其止水条止水失效的可能性，这种方法与测量位移相比更加直观，更加方便。 目前，测定结构应变的方法主要有传统的应变片法和光纤传感器法。尽管实践已经证明传统的应变片法的可靠性和稳定性，但是隧道内的电磁干扰不利于所测数据的稳定，隧道内的潮湿环境又影响应变片的耐久性。而光纤传感器测量结构应变的方法是一种新的测量方法，在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景将十分广阔。 参考文献:

【相关文献】

［1］欧进萍，关新春．土木工程智能结构体系的研究与发展［J］．世界地震工程，1999，15(3):27-28．

［2］Hill K．O．，Fuji Y，Johnson D．C．，et al．．Photosensitivity in optical fiber waveguides:Application to reflection filter fabrication，Appl．Phys．Let，1978:32． ［3］程 晓．关于地铁工程耐久性的思考［J］．地下工程与隧道，2006(4):31-32． ［4］孙圣和．光纤测量与传感技术［M］．哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2000．

［5］胡晓东．分布式光纤传感技术特点与研究现状［J］．航空精密制造技术，1999，35(1):8-10． ［6］刘浩吾，文 利，杨朝辉．混凝土裂缝的分布式光纤传感［A］．全国第七次光纤通信学术会议论文集［C］．1995．

［7］张 森，王洪字．光纤声发射检测方法的研究［J］．光通信技术，2005，29(3):19-20．