光纖傳感器在巖土工程中的應(yīng)用

摘要：光纖傳感器作為傳感器家族的后起之秀，憑借其優(yōu)異的性能近年來在很多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。文章介紹了光纖傳感器的工作原理，并以巖土測量和邊坡支護為例介紹了光纖傳感器在巖土工程中的應(yīng)用，并對光纖傳感器的發(fā)展趨勢進行了簡單分析。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器；巖土工程；巖土監(jiān)測；隧道監(jiān)測

中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）13-0136-03

1光纖傳感器的工作原理

在信息時代，各領(lǐng)域?qū)π畔⒌臏?zhǔn)確度和可靠性提出了更高的要求，被稱為“電五官”的光纖傳感器在獲取信息方面發(fā)揮了重要作用。光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術(shù)。隨著技術(shù)的進步，傳感器不斷向智能化和精確化的方向發(fā)展，光纖傳感器正是其發(fā)展成果之一。光纖具有良好的物理和化學(xué)特性，并具備出色的傳感和傳導(dǎo)性能，還能超越人的生理承受范圍，到達人無法到達的環(huán)境獲取人的感官不能獲取的信息。光纖傳感器作為傳感器家族的后起之秀，憑借其優(yōu)異的性能近年來在很多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。

如圖1所示，光纖由高折射率的纖芯和包層兩部分組成，纖芯的折射率大于包層的折射率，包層直徑大致為0.1～0.2mm。光線通過端面透入纖芯，在與包層的交界面處發(fā)生光線的完全內(nèi)反射，光線反射至纖芯層，經(jīng)過不斷反射，光線沿著纖芯向前傳播。

光纖傳感系統(tǒng)由光源、光導(dǎo)纖維、光傳感元件，光調(diào)制元件和信號處理五部分組成。其工作原理如圖2所示。光源發(fā)出的光經(jīng)過光導(dǎo)纖維進入光傳感元件，而在光傳感元件中受到周圍環(huán)境場的影響而發(fā)生變化的光再進入光調(diào)制機構(gòu)，由其將傳感元件測量的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、偏振等信息，最后利用微處理器進行信號分析。

2光纖傳感器與巖土監(jiān)測需要的契合

隨著社會的進步，巖土工程的難度加大，對技術(shù)的要求也越來越高。巖土工程具有不確定性，同時由于設(shè)計的復(fù)雜性，項目目標(biāo)往往很難達成。為了盡可能地控制好施工過程，必須充分掌握和利用各種信息，因此我們積極提倡信息化施工。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達不到的地方，起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖傳感器因其具有不受電磁干擾，信息量大，體積小，重量輕，抗輻射和防潮能力強，靈敏度高，易于與計算機應(yīng)用相結(jié)合等眾多優(yōu)點，成為巖土工程檢測的重要手段。在巖土工程中，通過光纖傳感器檢測技術(shù)可以對施工中出現(xiàn)的問題進行及時分析，通過獲得的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對設(shè)計方案進行調(diào)整，使效益最大化，能夠?qū)崿F(xiàn)對大型建筑物的在線實時監(jiān)測，在防止安全事故方面具有重要意義。

3光纖傳感器在巖土測量中的應(yīng)用

巖土工程主要包括巖土測量、基坑支護、邊坡支護、地下硐室、地基處理和樁基礎(chǔ)等內(nèi)容。本文以巖土測量和邊坡支護為例探討光纖傳感器在巖土工程中的應(yīng)用。

3.1光纖傳感器在隧道監(jiān)測中的應(yīng)用

光纖傳感器在隧道上應(yīng)用比較成熟，例如武漢的天興洲大橋上有成百上千個光纖傳感測點，時時監(jiān)控橋梁的結(jié)構(gòu)、受力和振動等情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，管理機構(gòu)就能立即采取措施。以某湖底隧道為例，施工地質(zhì)條件不理想，難度大，尤其是湖區(qū)沙層分布廣泛，厚度大，對隧道結(jié)構(gòu)采用了分布式BOTDR光纖檢測系統(tǒng)，沿隧道軸向敷設(shè)4根光纖，其中兩根全面接著（監(jiān)測隧道整體變形），兩根定點接著（監(jiān)測變形縫和潛在變形處的變形情況）。通過采用光纖傳感器對隧道進行監(jiān)測，實時監(jiān)測隧道變形情況，能夠獲得可靠的數(shù)據(jù)，可分析出正確結(jié)果，反映隧道實際受力情況，起到隧道的健康監(jiān)測、預(yù)防保護作用；能夠體現(xiàn)出光纖光柵傳感器的強大優(yōu)勢，保證了施工的順利進行，提升了施工質(zhì)量。光纖傳感器在橋梁隧道監(jiān)測方面的應(yīng)用主要有以下三個方面：對采用新型復(fù)合材料的橋梁結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，掌握材料和結(jié)構(gòu)的工作性能；對交通樞紐或具有重大意義的大型橋梁進行健康監(jiān)測，掌握橋梁的正常運行狀態(tài)；對有一定損傷的舊橋進行監(jiān)測，從而了解其健康狀況并采取針對性的維護和加固措施。如圖3所示：

3.2光纖傳感器在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

邊坡一般地形地貌復(fù)雜，容易受地震、降雨等因素的影響，坡體易發(fā)生變形，容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，對其長期監(jiān)測是非常必要的。光纖傳感器的引入能夠?qū)崿F(xiàn)對易滑坡區(qū)段的實時監(jiān)測，及時發(fā)出警報，為邊坡加固和維持穩(wěn)定提供依據(jù)。以某工程為例，其所處地區(qū)地形地貌復(fù)雜，降水量大，地下水位較高，巖土風(fēng)化嚴(yán)重。公路邊坡長51米，高10米，坡角35°。為了對邊坡進行長期穩(wěn)定監(jiān)測，該現(xiàn)場安裝了近百個光纖傳感器，組成了一個監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)主要包括以下幾個部分：FBG監(jiān)測抗滑樁、FBG測斜儀、FBG監(jiān)測土釘、多通道擴展模塊、光纖光柵解調(diào)儀和數(shù)據(jù)采集計算機，數(shù)據(jù)處理計算機。

為了監(jiān)測土釘?shù)氖芰顟B(tài)，特選取一根14米的土釘將若干個光纖光柵應(yīng)變傳感器布設(shè)在鋼筋上下表面上，還布設(shè)了10個光纖光柵溫度傳感器進行溫度補償，利用土釘應(yīng)變數(shù)據(jù)來計算土釘?shù)妮S力和彎矩沿土釘長度的分布曲線。此外，選取了兩根抗滑樁，在每根H型鋼的兩翼緣板上布設(shè)了18個光纖光柵應(yīng)變傳感器和9個光纖光柵溫度傳感器，并沿樁長用PVC線槽保護傳輸光纖。根據(jù)光纖檢測資料，可以判斷坡體下滑力和抗滑力的變化情況。最后，基于網(wǎng)絡(luò)和基于Labview平臺的采集和數(shù)據(jù)處理軟件，利用計算機對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得出邊坡坡表變形和抗滑樁的整體健康狀況。

我國地域廣大，地形復(fù)雜，泥石流和山體滑坡是常見地質(zhì)災(zāi)害，加之人為因素的影響，使得坡體滑坡事故多發(fā)，因此邊坡穩(wěn)定的檢測非常必要。光纖傳感器在邊坡支護中的應(yīng)用技術(shù)有待于進一步開發(fā)和研究，以發(fā)揮更大作用。

4結(jié)語

光纖傳感器以其強大的功能得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎涉及所有重要領(lǐng)域，它能夠代替人類深入很多惡劣環(huán)境使用，解決了許多行業(yè)難題，其目前的發(fā)展趨勢有四個，即全光纖微型化，多參量實時化，高精度實用化和陣列化、網(wǎng)絡(luò)化等。隨著技術(shù)的進步，光纖傳感器必將擴展到更廣闊的領(lǐng)域，發(fā)揮更大的作用。作為巖土工程工作者，我們要不斷探索和學(xué)習(xí)傳感器的應(yīng)用知識，提高工作效率，確保工程質(zhì)量。

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作者簡介：徐壽龍（1968-），男，江西樂平人，江西江匯地質(zhì)工程勘察院巖土工程助理工程師。

（責(zé)任編輯：趙秀娟）