光纖傳感器的發(fā)展綜述★

1 研究及實(shí)踐概況

1．1 研究概況

近三十年來，隨著控制工程的發(fā)展，多種驅(qū)動(dòng)材料開始融入土木結(jié)構(gòu)。利用自動(dòng)控制機(jī)制，根據(jù)自診斷的結(jié)果，由耦合在結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做出必要的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)智能控制，達(dá)到智能土木結(jié)構(gòu)的第三層次［1］。1978 年，加拿大 K．O．Hill等人［2］發(fā)現(xiàn)含鍺光纖，觀察到入射光和反射光在光纖內(nèi)部形成干涉條紋能夠?qū)е吕w芯折射率沿光纖軸線周期性變化，發(fā)現(xiàn)光纖中的光致光纖效應(yīng)，并研制出世界上第一根Bragg光柵光纖。1989年，GMelt等人發(fā)明了紫外側(cè)寫入技術(shù)，不僅提高了光纖的寫入效率而且可以通過變化兩束相干光的夾角，改變Bragg光柵的周期，控制光纖Bragg波長(zhǎng)。

1．2 光纖材料的實(shí)踐概況

光纖材料的應(yīng)用研究為土木工程領(lǐng)域注入了新的活力和內(nèi)容，目前的應(yīng)用研究集中以下方面的研究:

大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)。對(duì)其施工及工作狀態(tài)進(jìn)行安全性評(píng)定的基礎(chǔ)。利用光纖傳感技術(shù)、形狀記憶合金的電阻特性，壓電材料的壓電效應(yīng)、半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)均可對(duì)土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

裂縫探測(cè)。土木工程中大量采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)損傷的最初表現(xiàn)為混凝土開裂，裂縫可由外荷載或結(jié)構(gòu)變形引起，也可能由混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部徐變收縮導(dǎo)致。裂縫的出現(xiàn)不僅影響結(jié)構(gòu)的外觀與正常使用，而且嚴(yán)重時(shí)危及結(jié)構(gòu)安全。因此，需要通過對(duì)裂縫出現(xiàn)位置、發(fā)生、發(fā)展監(jiān)測(cè)后進(jìn)行判斷。

混凝土收縮應(yīng)變監(jiān)測(cè)?；炷凉袒陂g，不均勻的收縮應(yīng)變是混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的主要原因之一，這種影響對(duì)大體積混凝土(如壩體、基礎(chǔ)底板)較為嚴(yán)重，降低混凝土的整體性，削弱抗?jié)B性能等。光纖傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)混凝土固化過程中的收縮應(yīng)變，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、防水、耐腐蝕。碳纖維混凝土的溫敏性可實(shí)現(xiàn)材料的溫度自監(jiān)測(cè)。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)。重要結(jié)構(gòu)的整體或關(guān)鍵部位的振幅、額率的測(cè)量十分必要，傳統(tǒng)的電容、電阻式加速度計(jì)等抗電磁干擾能力差，光纖傳感器能彌補(bǔ)其不足，且具備遠(yuǎn)程傳輸功能，壓電材料改變狀態(tài)的變化速率極快，所以研究將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制成為壓電類智能結(jié)構(gòu)的前沿和熱點(diǎn)。

腐蝕監(jiān)測(cè)。鋼筋腐蝕是影響結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因之一。了解鋼筋腐蝕狀況，對(duì)防止結(jié)構(gòu)耐久性失效引起的工程事故具有重要的意義。

疲勞監(jiān)測(cè)。在疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)疲勞壽命絲(箔)無論是在拉伸或壓縮狀態(tài)下，其體積導(dǎo)電率會(huì)隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低，利用這一特性，即可對(duì)混凝土材料的疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同樣碳纖維混凝土也有相同的疲勞性能。

陳蓮曲珠三歲時(shí)，父親當(dāng)選為拖頂鄉(xiāng)的鄉(xiāng)長(zhǎng)，但不久因病去世。那時(shí)，年幼的陳蓮曲珠還沒學(xué)會(huì)如何悲傷，她在家人的照顧下讀完小學(xué)。畢業(yè)典禮上，老師要每個(gè)同學(xué)說出自己的理想，陳蓮曲珠不假思索地說道：“我想當(dāng)尼姑！”引來師生們的一陣哄笑。但沒過多久后，她真地如愿出家了。

2 共識(shí)

由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小(標(biāo)準(zhǔn)裸光纖為125 μm)、重量輕、耐高溫性好(工作溫度上限可達(dá)400℃～600℃)、復(fù)用能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)(傳感器到解調(diào)端可達(dá)幾千米)、耐腐蝕、高靈敏度、無源器件、易形變等優(yōu)點(diǎn)，早在1988年就成功地在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無損檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個(gè)領(lǐng)域，還在土木工程領(lǐng)域(如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道等)的混凝土組件和結(jié)構(gòu)中，測(cè)定其結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)，從而判斷結(jié)構(gòu)的安全性［3］。

光纖(Optical Fiber)是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，20世紀(jì)后半葉光纖及光纖通訊技術(shù)的發(fā)展是信息革命的重要標(biāo)志之一［4］。光纖作為光波的傳輸媒介，在通信領(lǐng)域中主要用于信息交換。但光纖本身屬于一種物理媒介，許多因素都可以改變它的幾何參數(shù)(如尺寸、形狀)和光學(xué)參數(shù)(如折射率、模式)。和力求減少外部影響的光通訊應(yīng)用不同，光纖傳感反而是故意增強(qiáng)和測(cè)量這些外部因素對(duì)光纖的影響。光纖傳感器在按探測(cè)外部擾動(dòng)的方式實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖受到外界環(huán)境的變化，會(huì)引起光纖內(nèi)部傳輸光波參數(shù)的變化，而這些變化與外界因素成一定規(guī)律，由此發(fā)展出光纖傳感技術(shù)。

在過去的20年中，世界范圍內(nèi)，不僅在光纖通訊領(lǐng)域，而且在光纖傳感器和系統(tǒng)的應(yīng)用和開發(fā)方面的投資日益增大。與常規(guī)的電傳感器相比，光纖傳感器可以用于不利的環(huán)境條件，如強(qiáng)電磁場(chǎng)、高壓、核輻射、爆炸和化學(xué)侵蝕性介質(zhì)及高溫環(huán)境。其小巧、靈活和低光信號(hào)傳輸損耗特性使得空間分布傳感器陣列和網(wǎng)絡(luò)可以用于醫(yī)療，或埋設(shè)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)，簡(jiǎn)言之，即基于光纖的“技術(shù)神經(jīng)系統(tǒng)”的實(shí)現(xiàn)［4］。

近年來，傳感器朝著靈敏、精巧、適應(yīng)性強(qiáng)、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代末新興的一項(xiàng)技術(shù)［5］，在全世界成了研究熱門，已與光纖通信并駕齊驅(qū)。光纖傳感器作為傳感家族的一名新成員由于其優(yōu)越的性能而備受青睞，其具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度很高、測(cè)量帶寬很寬、檢測(cè)電子設(shè)備與傳感器可以間隔很遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可以構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。

特別是其靈敏度比傳統(tǒng)的傳感器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可以測(cè)量壓力、溫度、應(yīng)力(應(yīng)變)、磁場(chǎng)、折射率、形變、微震動(dòng)、微位移和聲壓等等，能用光纖傳感技術(shù)測(cè)量的物理量已達(dá)到了70多種［6］。

1989年美國(guó)布朗大學(xué)(Brown University)的Mendez等人首次將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。此后，美、英、德、日等國(guó)對(duì)這方面作了大量的研究工作。

目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家將光纖光柵傳感器作為土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的首選技術(shù)，用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)、裂縫測(cè)量、溫度監(jiān)測(cè)、加速度測(cè)量等方面。

目前應(yīng)用狀況較好的光纖傳感器產(chǎn)品除較簡(jiǎn)單的用于工業(yè)自動(dòng)化的強(qiáng)度調(diào)制位置、位移和接近光纖傳感器之外，便是干涉型光纖陀螺，現(xiàn)已應(yīng)用于飛機(jī)、衛(wèi)星、機(jī)器人和自動(dòng)化機(jī)車、深層鉆孔或機(jī)車，在軍用領(lǐng)域用于導(dǎo)航、定向或穩(wěn)定平衡系統(tǒng)［7］。

在20世紀(jì)90年代，達(dá)到一定商業(yè)化規(guī)模的光纖傳感器越來越多，如用于工業(yè)過程控制的壓力、振動(dòng)和應(yīng)變傳感器或液位傳感器，電力工業(yè)的電流和電壓傳感器，和用于化學(xué)工業(yè)、采礦和環(huán)境監(jiān)測(cè)的氣體和濕度傳感器。

3 展望

隨著上海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不僅軌道交通建設(shè)規(guī)模愈來愈大，而且軌道交通建設(shè)速度也不斷加快。繼已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)十二年的1號(hào)線、七年的2，3號(hào)線和兩年的4號(hào)線之后，到2010年，將共建成11條線路，運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到400 km。然而，上海地鐵主要穿越的第④層土為軟土，其具有孔隙比大、天然含水量高、滲透性弱、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低和結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的特點(diǎn)，這種軟土地基在連續(xù)不斷的行車荷載作用下，即便是經(jīng)過長(zhǎng)期固結(jié)過程的軟土地基也會(huì)產(chǎn)生不同程度的沉降，地鐵運(yùn)營(yíng)過程中施加于其上的長(zhǎng)期周期循環(huán)荷載所產(chǎn)生對(duì)其強(qiáng)度和變形的影響愈來愈明顯。如日本某鐵路在開通運(yùn)行5年后的最大沉降近1 m，同時(shí)伴有冒泥現(xiàn)象;截止2006年年底，1號(hào)線隧道有18處總長(zhǎng)近1 km的隧道出現(xiàn)較大的差異沉降，最大累計(jì)沉降已經(jīng)超過30 cm(黃陂南路站—新閘路站)，黃陂南路站—人民廣場(chǎng)站(上行線)之間寧海西路泵站附近50 m的曲率半徑只有7 031 m，這已經(jīng)嚴(yán)重影響了地鐵的平穩(wěn)、正常、安全運(yùn)營(yíng)。

另外，隧道結(jié)構(gòu)周圍的土木工程項(xiàng)目的施工同樣會(huì)引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形。對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期差異沉降和施工的加載和卸載所引起的變形的有效監(jiān)測(cè)是保證地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全和地鐵安全運(yùn)營(yíng)的首要條件。

在目前的工程實(shí)踐中，主要測(cè)量地鐵隧道結(jié)構(gòu)的垂直方向和水平方向的位移及隧道的收斂位移，通過位移控制標(biāo)準(zhǔn)控制施工的相關(guān)參數(shù)。其實(shí)，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)可知，隧道結(jié)構(gòu)一點(diǎn)的位移與該點(diǎn)的應(yīng)變具有特定的關(guān)系，因此，只要通過試驗(yàn)和理論研究得出隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化規(guī)律，隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)變同樣可以成為地鐵安全保護(hù)的技術(shù)指標(biāo)，同樣可以建立隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)變安全保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

通過應(yīng)變可以直接計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力增量，再根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度判斷結(jié)構(gòu)的安全性及其止水條止水失效的可能性，這種方法與測(cè)量位移相比更加直觀，更加方便。

目前，測(cè)定結(jié)構(gòu)應(yīng)變的方法主要有傳統(tǒng)的應(yīng)變片法和光纖傳感器法。盡管實(shí)踐已經(jīng)證明傳統(tǒng)的應(yīng)變片法的可靠性和穩(wěn)定性，但是隧道內(nèi)的電磁干擾不利于所測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，隧道內(nèi)的潮濕環(huán)境又影響應(yīng)變片的耐久性。而光纖傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變的方法是一種新的測(cè)量方法，在光纖傳感器領(lǐng)域，光纖光柵傳感器的應(yīng)用前景將十分廣闊。

［1］歐進(jìn)萍，關(guān)新春．土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與發(fā)展［J］．世界地震工程，1999，15(3):27-28．

［2］Hill K．O．，F(xiàn)uji Y，Johnson D．C．，et al．．Photosensitivity in optical fiber waveguides:Application to reflection filter fabrication，Appl．Phys．Let，1978:32．

［3］程 曉．關(guān)于地鐵工程耐久性的思考［J］．地下工程與隧道，2006(4):31-32．

［4］孫圣和．光纖測(cè)量與傳感技術(shù)［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000．

［5］胡曉東．分布式光纖傳感技術(shù)特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀［J］．航空精密制造技術(shù)，1999，35(1):8-10．

［6］劉浩吾，文 利，楊朝輝．混凝土裂縫的分布式光纖傳感［A］．全國(guó)第七次光纖通信學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］．1995．

［7］張 森，王洪字．光纖聲發(fā)射檢測(cè)方法的研究［J］．光通信技術(shù)，2005，29(3):19-20．