光纤传感器在岩土工程中的应用现状与展望

光纤传感器在岩土工程中的应用现状与展望

二ｏｏ七年十一月 中国武汉

光纤传感器在岩土工程中的应用现状与展望

熊孝波１，桂国庆１，马淑芝２，张冬梅３，王宝军４，安关峰５，江守慈６，王旭升７

（１井冈山大学工学院，江两省吉安市，３４３００９；２中国地质大学（武汉）工程学院，武汉市，４３００７４：３同济大学地下建筑与工程系，上海市；２０００９２，４南京大学地球科学系，江苏省南京市，２１００９３：

５广州市建筑集团有限公司，广东省广州市，５１００３０；

６福建勘察基础工程公司南昌分公司，江西省南吕市，３３００１９；

７中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京市，１０００８３）

摘要：介绍了光纤传感器的基本原理，分类及其优点．概括了岩－＋－２学参数测试与工程监测技术的特点和存在的主要困难，讨论了光纤传感技术在岩土工程测试中应用的优越性．介绍了目前在岩－＋－２学研究与工程监测中应用光纤传感技术取得的若干成果。总结了近年来国内外光纤监测技术的应用现状和问题所在，阐述了光纤监测技术的发展方向，并对此技术在土木工程领域的应用前景进行了展望。

关键词：岩土工程；光纤传感器；岩土工程监测；信息化施工

目前，土木工程结构和基础设施建设正朝着大型化和复杂化方向发展，许多大跨度、大空间和应用新材料的结构不断涌现，结构的设计理论和施工工艺都面临着一系列新的问题，为了确保这些土木基础设施系统的安全性、完整性和长期稳定的使用，对可能出现的灾害进行监测与预测，以便迅速、及时、精确地掌握这些结构与基础设施的运营状况。

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。在土木工程监测中，传感器被广泛使用以检测应力、应变以及位移等物理量，常见的主要有电阻式和振弦式等几种。但这些传统的传感技术由于受到工作原理和材料性质所限，多为点式传感，采集的数据量有限，难以满足目前土木工程的监测要求，而传感器材耐久性差、不便于更换等缺陷，更影响到了检测结果和技术的推广。光纤作为传感和传导材料应用在检测技术中只是近２０多年的事，而应用在土木工程及土木工程领域中是在９０年代以后才开始兴起。由于光纤良好的物理化学特性以及杰出的传导、传感性能，使其在近年来得到迅猛发展。本文简要介绍了光纤检测技术的特点及分类，对光纤检测技术在土木工程领域的应用和发展状况做了系统的论述，并指出了所存在的问题，以期推动我国土木工程监测中光纤传感器的研发和应用。

１岩土工程监测与信息化施工

１．１岩土工程监测的特点与存在的困难

长期的岩土工程研究实践表明，岩土力学参数测试和岩土工程监测具有以下特点：

（１）监测的长时效性

岩土工程一般服务年限很长，其工程介质的力学性态均具有时效影响，即应考虑其流变特性，因此，测试设备（传感器）应能保持长期稳定。

（２）岩土环境复杂

岩土体为地质介质，处于一定的水环境中，探头需探测水对岩土体力学性态的影响，同时传感器也应在水环境中保持工作稳定，即满足防水、防潮、防雷击和抗电磁干扰要求。

（３）监测对象的时空限制．１４２－

光纤传感器在岩土工程中的应用现状与展望

全国工程勘察信息化学术研讨会论文集

微机在监测技术中的应用不但使监测成果对工程应用的反馈速度加快，而且使监测空间也大为扩展。

（４）土木施工环境制约

现场施工进展与布局在时间与空间上不可能给工程监测更多的照顾，因此，监测设备必须微型化并采取有效的隐蔽措施。

１．２岩土工程中信息化施工的重要性

信息化施工是指在施工过程中，通过设置各种测量元件及仪器，及时采集现场实际数据并且加以分析，然后根据分析结果对原设计和施工方案进行必要的调整，并反馈到下一阶段的施工过程当中，对下一施工过程进行分析和预测，从而保证工程施工安全、经济地运行。随着社会经济与科学技术的不断发展，岩土工程项目越来越向大规模、高技术、高难度的方向发展。可是由于岩土工程的复杂性和不确定性使得这些要求难以得到实现。同时由于影响设计的因素众多复杂、设计参数难以准确确定、设计方法不够完善等原因，经常使得设计计算结果与实际工程状况有较大的差异。传统的“设计一施工’’模式往往难以确保项目目标的实现，因此我们必须充分利用施工过程中所获得的信息，对设计和施工进行动态调整、控制，使岩土工程项目施工可以安全顺利地完成。

２信息化施工条件与传感器的选择

要进行信息化施工，必须具备一定的条件：首先，要有合适的测量元件及仪器：其次，要进行实时监测从而可以及时获得工程现场实际信息；第三，要有相应的分析预测模型与方法；第四，应用计算机。

２．１传统工程结构安全检测手段

电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转变为传感器电阻的变化，经过转换电路以电信号的方式将此变化输出，其核心部分是电阻应变片。它最早出现在１９３０年左右。振弦式应变计是一种频率敏感传感器，利用张紧振弦的谐振频率与所受张力的变化关系来测量应变计所在点的应力或应变。出现在２０世纪３０年代，由于钢弦蠕变的原因，其长期稳定性欠缺，测量精度偏低。

２．２光纤传感器及其基本特性

利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长（或频率）等特征参量发生变化，从而对外界因素进行监测和信号传输的技术称为光纤检测技术。按照这个定义，光纤不只是单纯地作为信息传输工具，而且还具备了传感的功能，可以“感知”其所处的外界环境。光纤由于其自身优良的特性，广泛应于各个领域，体现在土木工程中，主要有以下几个方面：分布式测量；大容量传输：耐久性材料；抗干扰性能；轻细柔韧；测量精度高，优于同类常规传感器，有的甚至是高出几个数量级。光纤传感技术与传统技术相比，有明显的优越性和很大的发展潜力。

光纤监测传感系统由光源、接口、光导纤维、光电探测器、光调制机构、信号处理器等部分组成，以光波为信息载体，以光纤为传输媒质。在光纤中传输的光波可用如下形式方程描述：

Ｅ＝Ｅｏｃｏｓ（（‘）ｔ＋由）（１）

式中Ｅｏ为光波的振幅；∞为频率；由为初相角。式（１）中包含了５个参数，即强度Ｅ０２、频率６０、波长＾０＝２兀ｃ／ｃｏ、相位（６０ｔ＋由）和偏振态，被测物理量在敏感头内与光发生相互作用，如果作用的结果改变了光的强度，就叫强度调制光纤传感器，其它依次类推，就产生了频率、波长（颜色）、相位和偏．１４３．

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－－ＯＯ七年十一月 中国武汉

振态等调制光纤传感器。

目前，光纤传感器可探测７０余种物理量。光纤传感器的种类很多，按最基本的原理可分为两类，一类为非本征型传感器，它的光纤仅起传输的作用，对被测信号的感觉是利用其他光学敏感元件来完成的。另一类为本征型传感器，它的光纤有传、感合一的特点，利用外界冈素改变光纤中光的特征参量，从而对外界冈素进行测量和数据传输的光纤传感器。按照测量的空间分布情况，光纤传感器可以分为点式、准分布式和分布式三种。

表ｉ光纤传感技术性能指标

测量方式传感器物理量线性响应分辨率测量范围

／Ｕｅ调制方法

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