光纖傳感器原理與應(yīng)用

訊石光通訊網(wǎng) 2013/10/8 16:25:51

1 引言
   傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱,傳感器作為探測(cè)與獲取外界信息的重要環(huán)節(jié)之一而被應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及軍事等各個(gè)領(lǐng)域。

   近20多年來,光纖傳感器的發(fā)展則大有取代傳統(tǒng)傳感器的趨勢(shì)。光纖傳感器是光通信和集成光學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,與以往的傳感器不同,它將被測(cè)信號(hào)的狀態(tài)以光學(xué)的形式取出[1]。光信號(hào)不僅能被人所直接感知,利用半導(dǎo)體二極管等小型簡(jiǎn)單元件還可以進(jìn)行光電、光學(xué)轉(zhuǎn)換,極易與一些電子裝備相匹配。此外,光纖不僅是一種敏感元件,還是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線,因此,光纖傳感器還可以用于傳統(tǒng)的傳感器所不適用的遠(yuǎn)距離測(cè)量。

   自從20世紀(jì)70年代末光纖傳感器誕生以來,便由于其具有的防火、防爆、精度高、損耗低、體積小、重量輕、壽命長、性價(jià)比高、復(fù)用性好、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、頻帶范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、易與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著對(duì)其研究的不斷深入,光纖傳感器勢(shì)必會(huì)對(duì)科學(xué)研究、國民生產(chǎn)、日常生活等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2 光纖傳感器基本構(gòu)成及原理

   光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)器以及解調(diào)制器組成。其基本原理是將光源的光經(jīng)入射光纖送人調(diào)制區(qū),光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)相互作用,使光的光學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號(hào)光,再經(jīng)出射光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。

   光纖傳感器按傳感原理可分為兩類:一類是傳光型(非功能型)傳感器[2],另一類是傳感型(功能型)傳感器[3]。在傳光型光纖傳感器中,光纖僅作為光的傳輸媒質(zhì),對(duì)被測(cè)信號(hào)的感覺是靠其它敏感元件來完成的,這種傳感器中出射光纖和入射光纖是不連續(xù)的,兩者之間的調(diào)制器是光譜變化的敏感元件或其它性質(zhì)的敏感元件。在傳感型光纖傳感器中光纖兼有對(duì)被測(cè)信號(hào)的敏感及光信號(hào)的傳輸作用,將信號(hào)的“感”和“傳” 合而為一,因此這類傳感器中光纖是連續(xù)的。

   由于這兩種傳感器中光纖所起的作用不同,對(duì)光纖的要求也不同。在傳光型傳感器中光纖只起傳光的作用,采用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求,而敏感元件可以很靈活地選用優(yōu)質(zhì)的材料來實(shí)現(xiàn),因此這類傳感器的靈敏度可以做得很高,但需要較多的光耦合器件,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;傳感型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單,可少用一些耦合器件,但對(duì)光纖的要求較高,往往需采用對(duì)被測(cè)信號(hào)敏感、傳輸特性又好的特殊光纖。到目前為止,實(shí)際中大多數(shù)采用前者,但隨著光纖制造工藝的改進(jìn),傳感型光纖傳感器也必將得到廣泛的應(yīng)用。

   按光在光纖中被調(diào)制的原理不同,光纖傳感器可分為:強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型、頻率調(diào)制型、波長調(diào)制型等。迄令為止,光纖傳感器能夠測(cè)定的物理量已達(dá)七十多種。

3 光纖傳感器特點(diǎn)

   與傳統(tǒng)的傳感器相比,光纖傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):

   (1) 靈敏度高

   由于光是一種波長極短的電磁波,通過光的相位便得到其光學(xué)長度。以光纖干涉儀為例,由于所使用的光纖直徑很小,受到微小的機(jī)械外力的作用或溫度變化時(shí)其光學(xué)長度要發(fā)生變化,從而引起較大的相位變化。假設(shè)用1 0米的光纖,l℃的變化引起1000ard的相位變化,若能夠檢測(cè)出的最小相位變化為0.01ard,那么所能測(cè)出的最小溫度變化為l 0℃ ,可見其靈敏度之高。

   (2) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全

   由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息,而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì),并且安全可靠,這使它可以方便有效地用于各種大型機(jī)電、石油化工、礦井等強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。

   (3) 測(cè)量速度快

   光的傳播速度最快且能傳送二維信息,因此可用于高速測(cè)量。對(duì)雷達(dá)等信號(hào)的分析要求具有極高的檢測(cè)速率,應(yīng)用電子學(xué)的方法難以實(shí)現(xiàn),利用光的衍射現(xiàn)象的高速頻譜分析便可解決。

   (4) 信息容量大

   被測(cè)信號(hào)以光波為載體,而光的頻率極高,所容納的頻帶很寬,同一根光纖可以傳輸多路信號(hào)。

   (5)適用于惡劣環(huán)境

   光纖是一種電介質(zhì),耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾,可用于其它傳感器所不適應(yīng)的惡劣環(huán)境中。此外,光纖傳感器還具有質(zhì)量輕、體積小、可繞曲、測(cè)量對(duì)象廣泛、復(fù)用性好、成本低等特點(diǎn)。

4 光纖傳感器的應(yīng)用

   正是由于光纖傳感器擁有如此之多的優(yōu)點(diǎn),使得其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,涉及石油化工、電力、醫(yī)學(xué)、土木工程等諸多領(lǐng)域。

4.1 光纖傳感器在石油化工系統(tǒng)的應(yīng)用

   在石油化工系統(tǒng)中, 由于井下環(huán)境具有高溫、高壓、化學(xué)腐蝕以及電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn),使得常規(guī)傳感器難以在井下很好地發(fā)揮作用。然而光纖本身不帶電,體小質(zhì)輕,易彎曲,抗電磁干擾、抗輻射性能好。特別適合于易燃易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用,因此光纖傳感器在油井參數(shù)測(cè)量中發(fā)揮著不可替代的作用,它將成為可應(yīng)用于油氣勘探及石油測(cè)井等領(lǐng)域的一項(xiàng)具有廣闊市場(chǎng)前景的新技術(shù)。

4.1.1 光纖傳感器在油氣勘探[4]中的應(yīng)用

   光纖傳感器由于其抗高溫能力、多通絡(luò)、分布式的感應(yīng)能力,以及只需要較小的空間即可滿足其使用條件的特點(diǎn),使得在勘探鉆井方面尤其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

   應(yīng)用光纖傳感器可以制成井下分光計(jì),分布式溫度傳感器及光纖壓力傳感器等適用于這種特殊作業(yè)要求的產(chǎn)品。

(1) 井下分光計(jì)

   流體分析儀如圖1所示,可用于了解初期開發(fā)過程中的原油組成成分。它由兩個(gè)傳感器合成:一個(gè)是吸收光譜分光纖,另一個(gè)是熒光和氣體探測(cè)器。井下流體通過地層探針被引入出油管,光學(xué)傳感器用于分析出油管內(nèi)的流體。流體分析分光計(jì)則提供了原位井下流體分析,并對(duì)地層流體的評(píng)估加以改進(jìn)。

(2) 分布式溫度傳感器

   光纖分布式溫度傳感器是井下應(yīng)用最為流行的光纖傳感器。應(yīng)用實(shí)例是監(jiān)測(cè)注水蒸氣重油開采系統(tǒng)。蒸汽被注入重油層用以降低油的黏度,使稠油能夠開采出來。井下蒸汽溫度可高達(dá)250℃ 以上。
   
   
(3) 壓力傳感器

   側(cè)孔光纖式壓力傳感器目前正在研發(fā)中,其主要致力于超高溫和井下壓力監(jiān)測(cè)任務(wù)。

   目前基于光纖傳感器已經(jīng)出現(xiàn)其他商業(yè)產(chǎn)品,例如,用于多相流測(cè)量和分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的光纖探針。其高可靠性和高效低耗的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是光纖產(chǎn)品在油田應(yīng)用上取得成功的關(guān)鍵因素。

4.1.2 光纖傳感器在石油測(cè)井中的應(yīng)用

   石油測(cè)井是石油工業(yè)最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理量,通過先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)這些量進(jìn)行長期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),及時(shí)獲取油氣井下信息,對(duì)石油工業(yè)具有極為重要的意義[5]。

   光纖傳感器對(duì)電磁干擾不敏感而且能承受極端條件,包括高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊與振動(dòng),可以高精度地測(cè)量井筒和井場(chǎng)環(huán)境參數(shù),同時(shí),光纖傳感器具有分布式測(cè)量能力.可以測(cè)量被測(cè)量的空間分布,給出剖面信息。而且,光纖傳感器橫截面積小,外形短,在井筒中占據(jù)空間極小[6]。而這些特性都是傳統(tǒng)的電子傳感器在井下的惡劣環(huán)境下所不具備的。

   利用光纖傳感器可以進(jìn)行井下流量測(cè)量、溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、含水(氣)測(cè)量、密度測(cè)量、聲波測(cè)量等。
(1) 流量測(cè)量

   由于光的強(qiáng)度、相位、頻率、波長等特性在光纖傳輸?shù)倪^程中會(huì)受到流量的調(diào)制,利用一定的光檢測(cè)方法把調(diào)制量轉(zhuǎn)換成電信號(hào),就可以求出流體的流量,這就是光纖流量計(jì)的工作原理[7]。

(2) 溫度及壓力測(cè)量

   分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)(DTS)利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng),可以對(duì)光纖所在的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纖傳感器為波長編碼型傳感器,具有靈敏度高、可同時(shí)測(cè)量壓力、溫度、應(yīng)力等多個(gè)參量的特點(diǎn)[8]。

   光纖熱色溫度傳感器是由白光源、多模光纖組成的反射式溫度傳感器;光纖輻射式溫度傳感器利用黑體輻射能量,其非接觸,可測(cè)瞬問溫度,響應(yīng)速度快,不需要熱平衡時(shí)間,可用于高溫測(cè)量;半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器利用其半導(dǎo)體材料的吸收邊波長隨著溫度的增加而向較長波長位移的特性,選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體發(fā)光二極管,使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域,這樣透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)就隨著溫度的增加而減少[9]。

(3) 含水(氣)率及密度測(cè)量

   U型光纖的傳輸功率隨外界介質(zhì)折射率變化而變化,光波作為信息載體,與混合流體電阻率、流型及水質(zhì)無關(guān),基于該原理的光纖持率/密度傳感器從本質(zhì)上解決了現(xiàn)有持率存在的高含水無分辨率和放射性物質(zhì)的應(yīng)用問題,對(duì)于多相流體油、水、氣的折射率各不相同,因而混合流體的折射率會(huì)隨著油、水、氣比例的改變而改變。因此這種折射率調(diào)制型光纖傳感器不僅能測(cè)流體持率,可同時(shí)測(cè)流體密度,其精度較高。

(4) 聲波測(cè)量

   地震波在不同的介質(zhì)中傳播,接收到的地震波波形就會(huì)不同,根據(jù)不同的地震波形態(tài),可識(shí)別地層沉積序列和沉積構(gòu)造,為儲(chǔ)層定位、判斷竄槽、檢測(cè)套管破損及斷裂、射孔層位及確定流體流量等。VSP地震測(cè)井,就是把檢波器放人井中,通過地面擊發(fā)的地震波或利用井中流體流動(dòng)等產(chǎn)生的微震動(dòng),由井中的檢波器接收地震信號(hào)。永久井下光纖三分量地震測(cè)量具有高的靈敏度和方向性,能產(chǎn)生高精度的空間圖像,不僅能提供近井眼圖像,而且能提供井眼周圍地層圖像,測(cè)量范圍能達(dá)數(shù)千公里。它能經(jīng)受惡劣環(huán)境條件,且沒有可移動(dòng)部件和井下電子器件,能經(jīng)受強(qiáng)的沖擊和震動(dòng),可安裝在復(fù)雜的完井管柱極小的空間

4.2 光纖傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

   電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布面廣,在高壓電力線和電力通信網(wǎng)絡(luò)上存在著各種各樣的隱患,因此,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各種線路、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

4.2.1 在高壓電纜溫度和應(yīng)變測(cè)量中的應(yīng)用

   目前,國外(主要是英國、日本等)已利用激光喇曼光譜效應(yīng)研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品。而國內(nèi)也在積極地開展這方面的研究工作。國內(nèi)把分布式光纖溫度傳感技術(shù)引入電力系統(tǒng)電纜測(cè)溫的研究工作只是剛剛開始。

   聯(lián)系到我國南方地區(qū)去年所遭受到的雪災(zāi)來考慮,如果能在高壓電纜上并行地鋪設(shè)傳感光纜,對(duì)電力系統(tǒng)電纜、鐵塔等設(shè)施的溫度、壓力等參量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,就能夠做到及時(shí)排險(xiǎn),從而盡可能減少經(jīng)濟(jì)損失??梢?,光纖傳感器在電力系統(tǒng)將具有廣泛的應(yīng)用前景。

   在理想情況下,光纖應(yīng)被置于盡可能靠近電纜纜芯的位置,以更精確地測(cè)量電纜的實(shí)際溫度。對(duì)于直埋動(dòng)力電纜來說,表貼式光纖雖然不能準(zhǔn)確地反映電纜負(fù)載的變化,但是對(duì)電纜埋設(shè)處土壤熱阻率的變化比較敏感,而且能夠減少光纖的安裝成本。

4.2.2 在電功率傳感器中的應(yīng)用

   電功率是反映電力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)幕倦娏?,電功率測(cè)量是電力計(jì)量的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的電磁測(cè)量方法日益顯露出其固有的局限性,如電絕緣、電磁干擾、磁飽和等問題,因而人們一直在致力于尋找測(cè)量電功率的新方法??梢哉f光纖傳感器的出現(xiàn)給人們解決這一問題帶來了福音。

   光纖電功率傳感器的主要特點(diǎn)是:由于電功率傳感同時(shí)涉及電壓、電流2個(gè)電量,因而通常需要同時(shí)考慮電光、磁光效應(yīng),同時(shí)利用2種傳感介質(zhì)或1種多功能介質(zhì)作為敏感元件,這使得光纖電功率傳感頭的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜;光纖電功率傳感器的光傳感信號(hào)中有時(shí)同時(shí)包含電壓、電流信號(hào),因此其信號(hào)檢測(cè)與處理方法也將比較復(fù)雜[10]。

4.2.3 在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

   電力系統(tǒng)光纜種類繁多,加之我國地域廣闊,各地環(huán)境差異很大,所以光纜的環(huán)境也很復(fù)雜,其中溫度和應(yīng)力是影響光纜性能的主要環(huán)境因素。因此,在監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)的同時(shí)也對(duì)光纜所處溫度和應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),可見對(duì)光纜的故障預(yù)警及維護(hù)意義深遠(yuǎn)。
   通過測(cè)量沿光纖長度方向的布里淵散射光的頻移和強(qiáng)度,可得到光纖的溫度和應(yīng)變信息,且傳感距離較遠(yuǎn),所以有深遠(yuǎn)的工程研究?jī)r(jià)值。
   基于布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng)[11],采用相干檢測(cè)技術(shù),系統(tǒng)原理如圖2所示。
   
   

   BOTDR光纖傳感系統(tǒng)測(cè)量的是光纖的自發(fā)布里淵散射信號(hào),其信號(hào)強(qiáng)度非常微弱,但可以采用相干檢測(cè)技術(shù)提高系統(tǒng)信噪比。這種方案可單光源、單端工作,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)方便,而且可同時(shí)監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)、損耗、溫度和應(yīng)變。

4.3 傳光光纖傳感器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

   在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用醫(yī)用光纖傳感器目前主要是傳光型的。以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測(cè)量精度高及與生物體親合性好等優(yōu)點(diǎn)備受重視。本文將主要介紹傳光光纖在壓力測(cè)量、血流速度測(cè)量、pH值測(cè)量三個(gè)方面的應(yīng)用。此外,它還可以應(yīng)用于測(cè)量溫度和醫(yī)用圖像傳輸上面。

4.3.1 壓力測(cè)量

   目前臨床上應(yīng)用的壓力傳感器主要用來測(cè)量血管內(nèi)的血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱和尿道壓力等。用來測(cè)量血壓的壓力傳感器示意見圖3。其中對(duì)壓力敏感的部分是在探針導(dǎo)管末端側(cè)壁上的一塊防水薄膜,一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連,反射鏡對(duì)面是一束光纖,用來傳遞入射光到反射鏡,同時(shí)也將反射光傳送出來。當(dāng)薄膜上有壓力作用時(shí)。薄膜發(fā)生形變且能帶動(dòng)懸臂使反射鏡角度發(fā)生改變,從光纖傳來的光束照射到反光鏡上,再反射到光纖的端點(diǎn)。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變,因此光纖接收到的反射光的強(qiáng)度也隨之變化[12]。這一變化通過光纖傳到另一端的光電探測(cè)器變成電信號(hào),這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大小。
   
   

4.3.2 血流速度測(cè)量

   多普勒型光纖速度傳感器測(cè)量皮下組織血流速度的示意見圖4。此裝置利用了光纖的端面反射現(xiàn)象,測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
   
  

   發(fā)光頻率為f的激光經(jīng)透鏡,光纖被送到表皮組織。對(duì)于不動(dòng)的組織,例如血管壁,所反射的光不產(chǎn)生頻移;而對(duì)于皮層毛細(xì)血管里流速為 的紅細(xì)胞,反射光要產(chǎn)生頻移,其頻率變化為△f;發(fā)生頻移的反射光強(qiáng)度與紅細(xì)胞的濃度成比例,頻率的變化值可與紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度成正比。發(fā)射光經(jīng)光纖收集后,先在光檢測(cè)器上進(jìn)行混頻,然后進(jìn)人信號(hào)處理儀,從而得到紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度和濃度。

4.3.3 pH值測(cè)量

   用來測(cè)定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖,如圖5所示。其工作原理是利用發(fā)射光、透射光的強(qiáng)度隨波長的分布光譜來進(jìn)行測(cè)量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過離子的纖維素膜盒中.膜盒內(nèi)裝有試劑,當(dāng)把針頭插入組織或血管后,體液滲入試劑,導(dǎo)致試劑吸收某種波長的光.用光譜分析儀測(cè)出此種變化,即可求得血液或組織的pH值[13]。
   
   

4.4 光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用

   在大型土木工程中如果發(fā)生事故,極易造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,所以工程安全性成為工程設(shè)計(jì)者及科研人員極為關(guān)注和重視的問題。國內(nèi)外研究和工程實(shí)踐表明:光纖光柵傳感器滿足了土木工程測(cè)量的高精度、遠(yuǎn)距離、分布式和長期性的技術(shù)要求,為解決上述關(guān)鍵問題提供了良好的技術(shù)手段。
   本文將主要介紹光纖光柵傳感器在橋梁監(jiān)測(cè)、邊坡監(jiān)測(cè)及隧道監(jiān)測(cè)三個(gè)方面的應(yīng)用。
4.4.1 在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

   目前,應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域之一當(dāng)數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。

   瑞士溫特圖力的Storck’S橋不僅是世界上第一次使用CFRP拉索替代鋼索的斜拉橋,也是最早使用光纖光柵傳感器的橋梁之一。該橋長120m,橫跨18根鐵軌。該橋有2根長為35m的拉索用CFRP材料替代了鋼筋,每根CFRP拉索由7個(gè)FBG傳感器組成的傳感陣列進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁的長期監(jiān)測(cè),并且監(jiān)測(cè)結(jié)果與同時(shí)使用的箔式電阻應(yīng)變儀測(cè)得的結(jié)果十分吻合[]。

   目前,將光纖傳感器Bragg光柵在土木工程中的應(yīng)用已成了推動(dòng)我國光纖傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?br /> 4.4.2 邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

   邊坡是工程建設(shè)中最常見的工程形式之一。由邊坡失穩(wěn)破壞產(chǎn)生的滑坡、滑動(dòng)、沉陷、泥石流、巖崩等,這些在表面上看似斜坡巖體運(yùn)動(dòng)的不同表現(xiàn)形式,但隨時(shí)都可能帶來嚴(yán)重的破壞,甚至是災(zāi)難。
   目前常用的高邊坡和庫區(qū)滑坡深部變形的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器是鉆孔傾斜儀。這種手段雖然有效,但屬點(diǎn)式監(jiān)測(cè)。從全面收集建筑物的安危和實(shí)況重要信息這方面而言,尚有相當(dāng)?shù)木窒扌?,?huì)導(dǎo)致險(xiǎn)情或重要先兆信息的漏檢。光纖傳感由于能實(shí)現(xiàn)空間立體監(jiān)測(cè)和連續(xù)性監(jiān)測(cè),在大型土木工程的安全監(jiān)測(cè)中已得到了越來越多的重視。

   武漢工業(yè)大學(xué)與湖北省巖崩滑坡研究所1995年合作研制了光纖位移計(jì)、光纖壓力計(jì),其性能穩(wěn)定、線形關(guān)系好,在牢固性、抗沖擊及振動(dòng)、防潮、抗電磁干擾等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁傳感器[15]。

   此外,光纖傳感技術(shù)還在高陡邊坡深部變形監(jiān)測(cè)[16]、堆石壩混凝土面板隨機(jī)裂縫監(jiān)測(cè)[17]、三峽庫區(qū)巫山縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警示范站監(jiān)測(cè)中獲得應(yīng)用。

4.4.3 隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

   隧道在本質(zhì)上是圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合體,因此在對(duì)隧道的健康監(jiān)測(cè)中,要綜合考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形以及相互作用,這是隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象。對(duì)隧道的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括隧道圍巖變形,隧道周邊位移,圍巖壓力及兩層主要包括隧道圍巖變形,隧道周邊位移,圍巖壓力及兩層支護(hù)間壓力,支護(hù)和襯砌內(nèi)應(yīng)力、表面應(yīng)力及裂縫測(cè)量,錨桿或錨索受力等[18]。

   廣州地鐵五號(hào)線小北站隧道的初期支護(hù)中應(yīng)用了光纖布拉格光柵傳感技術(shù)(FBG)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)過程中使用了3種FBG傳感器,分別是混凝土應(yīng)變傳感器、溫度傳感器和鋼筋應(yīng)力計(jì)式傳感器。使用3種傳感器分別監(jiān)測(cè)了初期支護(hù)混凝土的應(yīng)變、內(nèi)部溫度以及鋼拱架的主筋應(yīng)力?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試從2006年4月12日到期2006年7月5日共進(jìn)行了18次測(cè)試,監(jiān)測(cè)結(jié)果為工程的安全施工提供了科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)束語

   目前,光纖傳感器技術(shù)正朝著微型化、智能化低功耗、無線傳輸、便攜式方向發(fā)展。然而由于解調(diào)技術(shù)還不夠成熟,批量生產(chǎn)光纖傳感器的廠家還很少,并且我國在技術(shù)上和生產(chǎn)能力上同發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距,因此我國的光纖傳感器行業(yè)任重而道遠(yuǎn),但前途光明,潛力巨大。

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新聞來源:訊石光通訊網(wǎng)

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