基于光纤传感技术的结构检测技术概述

1 引言

    光纤传感器技术研究最早开始于1977 年，美国海军研究所开始执行由查尔斯.M. 戴维斯博士主持的Foss(光纤传感器系统)计划。早期的光纤传感器因为存在价格昂贵、技术不够成熟等问题，在工程上没有得到广泛的应用。光纤传感技术具有极高的灵敏度和精度，良好的抗电磁场干扰能力，高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧带等优点。随着光传感器技术的发展和工艺水平的提高，光纤传感器的应用得到了大力推广，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度。近年来光纤传感器在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、生物医学、食品等工业领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面有着广泛的应用。

    近年来，光纤传感器由于其独特的优点而被引入土木工程，广泛应用于建筑结构应变及桥梁结构健康监测、混凝土力学性能测试及检测等领域。本文介绍了光纤传感的基本原理及其应用，对光纤传感器在土木工程中的应用进行了展望。

2 光纤传感器基本原理

    随着工艺水平的提高，光纤技术目前相对成熟。光纤传感器即为应用光纤传输的基本原理组合的一个广电感应系统。通常的光纤传感系统由光源、光导纤维、光传感元件，光调制元件和信号处理部分组成[3]。其工作原理如下图所示：光源发出的光经过光导纤维进入光传感元件，而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件测量的参数调制成幅度、相位、偏振等信息，这一过程称为光电转换过程，最后利用微处理器进行信号分析。

    如前所述可以看出光纤传感器的传感机理和电磁传感器的传感机理是相似的，但是光纤传感器由于其测量信号的载体是激光，其在光导纤维内部传播，很难受到外界电磁场干扰，因此适合复杂工况下的检测，且操作方便灵活，信号输出自动化。

3 光纤传感器的分类及特点

    3.1 光纤传感器的分类

    3.1.1 光纤传感器的分类有不同的方式

    按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。

    传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。

    3.1.2 传光型光纤传感器

    传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero 腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。

    3.2 光纤传感器的特点

    研究和工程应用表明光纤传感器具有如下特点：

    ⑴高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统很难受到外界场的干扰，且光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。

    ⑵光纤具有很好的柔性和韧性，所以传感器可以根据现场检测需要做成不同的形状。

    ⑶测量的频带宽、动态响应范围大。

    ⑷可移植性强，可以制成不同的物理量的传感器，包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。

    ⑸可嵌入性强，便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。

4 光纤传感器土木工程中的应用举例

    随着光纤传感技术的发展，在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用，用来测量混凝土结构变形及内部应力，检测大型结构、桥梁健康状况等，其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。

    光纤传感器可以黏贴在结构物表面用于测量，同时也可以通过预埋实现结构物内部物理量的测量。利用预先埋入的光纤传感器，可以对混凝土结构内部损伤过程中内部应变的测量，再根据荷载-应变关系曲线斜率，可确定结构内部损伤的形成和扩展方式。通过混凝土实验表明，光纤测试的载荷-应变曲线比应变片测试的线性度高。

    在实际的工程应用中要实现对结构建筑物的全方位、长期的检测就要解决好光纤传感器的布设问题。为了不至于对传感器造成施工损伤破坏，一般可以采用以下方法：①将一金属导管套在光纤传感器上，一起置于混凝土结构中。混凝土浇筑后，在混凝土固结前将金属导管取出，这样光纤光栅传感器与混凝土很好地固结在一起，而且不会因为浇筑过程损坏传感器。②由于钢筋的应力-应变也足以反映钢筋附件的混凝土受力状态，可以将光纤光栅传感器直接粘贴于钢筋上，或在钢筋表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护，或在建造桥时把光纤埋进复合筋。③将光纤光栅直接埋入小型预制构件或者封装在金属导管中然后把小型预制构件作为大型构件的一部分埋入，外部荷载通过预制件或金属导管传递到光纤光栅传感器上。

5 结语

    光纤传感器进入结构监测领域具有重要意义。光纤传感器的轻巧性、耐用性和长期稳定性，使其能够方便的应用于建筑钢结构和混凝土等各种建筑材料的内部应力、应变检测。实现的建筑结构的健康检测。