光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272000

光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)具備非常優(yōu)異的性能，近年來(lái)在多個(gè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，特別是在工程地質(zhì)領(lǐng)域。工程地質(zhì)容易受到各種不利因素的影響而降低承載力或者強(qiáng)度，從而使整個(gè)工程結(jié)構(gòu)遭受不同程度的破壞，甚至引發(fā)其他更為嚴(yán)重的問(wèn)題，如邊坡的失穩(wěn)、混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂變形及地基的基礎(chǔ)沉降等。再加上我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害比較頻繁的國(guó)家之一，而且災(zāi)害的種類(lèi)多，分布范圍廣，危害性大，對(duì)于地質(zhì)工程的影響也非常明顯。因此，為了使整個(gè)工程設(shè)施得到安全的使用，需要對(duì)工程地質(zhì)進(jìn)行全面的安全監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)災(zāi)害后的工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，包括其剩余的可使用年限，這是目前影響巖土與地質(zhì)工程發(fā)展的一大關(guān)鍵因素，亟待解決。

1 光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

光纖傳感器是一種將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)光信號(hào)的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)光纖送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)通過(guò)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光纖送入光電器件，經(jīng)解調(diào)器后獲得被測(cè)參數(shù)。

光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在當(dāng)代科技領(lǐng)域占有十分重要的地位，且已逐漸廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)是近幾年發(fā)展最為迅速的新一代光無(wú)源器件，在光纖通信和光纖傳感等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)分為兩類(lèi)：一類(lèi)為功能型傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，它的光纖對(duì)被測(cè)信號(hào)兼有敏感和傳輸?shù)淖饔?；另一?lèi)為非功能型傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，它的光纖僅起傳輸?shù)淖饔谩９δ苄蛡鞲斜O(jiān)測(cè)技術(shù)是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制，多采用多模光纖。非功能型傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用其他敏感元件感受被測(cè)量光信號(hào)的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖，光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。

2 光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）靈敏度更高。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的靈敏度更高。

（2）安裝埋設(shè)方便。光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加輕細(xì)柔韌，方便安裝及埋設(shè)。

（3）電絕緣性能及化學(xué)性能更好。光纖的自身特點(diǎn)決定了其是一種絕緣性好及化學(xué)性能穩(wěn)定的材料，因此可以有效應(yīng)用到高壓隔離和易燃易爆等惡劣的環(huán)境中，并且具有良好的效果。

（4）安全性更好。光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的敏感元件屬于電無(wú)源元件，因此在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)出現(xiàn)漏電或者電擊等情況，安全隱患很小。

（5）可有效抵抗電磁干擾。通常光波的頻率比電磁輻射的頻率高很多，因此光信號(hào)在光纖內(nèi)傳播的過(guò)程中也不會(huì)受電磁波的干擾。

（6）可實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)。一根光纖能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的連續(xù)監(jiān)測(cè)，且可以精確監(jiān)測(cè)各個(gè)位置的應(yīng)變、損傷、振動(dòng)及溫度等信號(hào)變化，從而可以獲得更大的監(jiān)測(cè)范圍，提高監(jiān)測(cè)工作的效率及質(zhì)量。

（7）耐久性好且使用年限長(zhǎng)。光纖主要由石英玻璃和外層的高分子材料組成，因此與傳統(tǒng)金屬傳感器相比，光纖具有更強(qiáng)的耐久性及更長(zhǎng)的使用壽命。

（8）具有更大的傳輸容量。光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用光纖代替了笨重的多芯水下電纜作為母線，不但質(zhì)量更輕，而且傳輸容量也更大，可以有效采集各感知點(diǎn)的信號(hào)，再通過(guò)復(fù)用技術(shù)來(lái)達(dá)到分布式監(jiān)測(cè)光纖傳感器信號(hào)的目的。

2.2 光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于巖土和地質(zhì)工程中，主要可以分為點(diǎn)式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)、準(zhǔn)分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)。點(diǎn)式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括邁克爾遜干涉（SOFO）的傳感技術(shù)和非本征型法的布里珀羅干涉（EFPI）應(yīng)用傳感技術(shù)，其主要應(yīng)用在精度方面，如果是要求較高的結(jié)構(gòu)，則需要進(jìn)行局部變形監(jiān)測(cè)，但是不能復(fù)用。準(zhǔn)分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)基于光纖布拉格光柵（FBG）和波分復(fù)用（WDM），包括時(shí)分復(fù)用（TDM）以及空分復(fù)用（SDM）等方面的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建。在應(yīng)用分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)時(shí)，主要是應(yīng)用瑞利散射光時(shí)域分析（OTDR）以及自發(fā)布里淵光時(shí)域散射分析（BOTDR），包括受激布里淵光時(shí)域散射分析（BOTDA）、拉曼光時(shí)域反射分析（ROTD）等，而分布式光纖傳感系統(tǒng)主要是依照沿線光波分布參量進(jìn)行分析的。與此同時(shí)，光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)還能夠獲取傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測(cè)量分布信息情況，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的長(zhǎng)期連續(xù)傳感。

3 光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用

混合筋混凝土屬于一種結(jié)構(gòu)材料，其主要的應(yīng)用形式是將纖維材料中所具備的光纖材料放置在混凝土結(jié)構(gòu)中或應(yīng)用在表面的漿料上，這樣能夠?qū)α芽p寬度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變。基于光纖光柵傳感器的索力監(jiān)測(cè)裝置如圖1所示。對(duì)溫度、振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變，還能夠加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性應(yīng)用。

圖1 基于光纖光柵傳感器的索力監(jiān)測(cè)裝置

光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在接收信號(hào)后能夠確定缺陷位置，還能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力的集中以及實(shí)際的應(yīng)變，從而確定缺陷位置的大小和分布情況。對(duì)于光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)而言，其主要的特征是根據(jù)光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的光學(xué)變化，在不使用電的情況下，可以作為敏感信息的載體，并且一般的光纖表面都是不用作金屬線的。一般的傳感信息介質(zhì)都有著比較大的直徑，而其也比較靈活，體積小，具有較高的靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)。另外，應(yīng)用光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)還能夠開(kāi)展應(yīng)力監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變。

根據(jù)傳感機(jī)理可以將應(yīng)力監(jiān)測(cè)分為以下三種情況：

（1）根據(jù)光纖整體的微損耗應(yīng)變情況進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。這種監(jiān)測(cè)方法主要是通過(guò)相應(yīng)的輔助變形裝置實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變，能夠?qū)?yīng)力傳遞到光纖中，通過(guò)光纖輸出的光強(qiáng)度變化反映結(jié)構(gòu)應(yīng)變以及應(yīng)力變化。

（2）根據(jù)雙折射光纖中產(chǎn)生的內(nèi)側(cè)兩次偏振光方面的應(yīng)變進(jìn)行干涉，以此進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。部分專(zhuān)業(yè)人士加強(qiáng)了建筑結(jié)構(gòu)中光纖沿與壓力相平行方面的運(yùn)用，并對(duì)埋進(jìn)雙折射的光纖進(jìn)行了研究，其具備較高的靈敏度。

（3）根據(jù)兩根光纖不同的輸出光之間產(chǎn)生的干涉進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，巖土工程屬于工程建設(shè)中比較基礎(chǔ)的一項(xiàng)施工工程，其施工質(zhì)量與整個(gè)工程項(xiàng)目所具備的安全性、穩(wěn)定性、耐久性、適應(yīng)性等都有著直接的關(guān)系，也會(huì)對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的質(zhì)量造成影響。隨著光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，其已逐漸應(yīng)用到了巖土工程建設(shè)施工監(jiān)測(cè)中，不僅能使整體監(jiān)測(cè)工作變得更加方便快捷，還能夠?qū)r土工程施工現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)的環(huán)境及其他數(shù)據(jù)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效提高整個(gè)巖土工程的施工質(zhì)量。光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)具備良好的傳感性能與傳導(dǎo)性能，可以應(yīng)用于遠(yuǎn)超過(guò)人所能夠承受的生理范圍，能夠在人類(lèi)無(wú)法到達(dá)的環(huán)境中獲取更多的信息。未來(lái)光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)定會(huì)憑借優(yōu)異的性能得到更加廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展。