光纖傳感器的發展綜述★

1 研究及實踐概況

1．1 研究概況

近三十年來，隨著控制工程的發展，多種驅動材料開始融入土木結構。利用自動控制機制，根據自診斷的結果，由耦合在結構中的驅動系統做出必要的反應，實現智能控制，達到智能土木結構的第三層次［1］。1978 年，加拿大 K．O．Hill等人［2］發現含鍺光纖，觀察到入射光和反射光在光纖內部形成干涉條紋能夠導致纖芯折射率沿光纖軸線周期性變化，發現光纖中的光致光纖效應，并研制出世界上第一根Bragg光柵光纖。1989年，GMelt等人發明了紫外側寫入技術，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。

1．2 光纖材料的實踐概況

光纖材料的應用研究為土木工程領域注入了新的活力和內容，目前的應用研究集中以下方面的研究:

大型結構的應力、應變監測。對其施工及工作狀態進行安全性評定的基礎。利用光纖傳感技術、形狀記憶合金的電阻特性，壓電材料的壓電效應、半導體的壓阻效應均可對土木結構的應力、應變實時在線監測。

裂縫探測。土木工程中大量采用鋼筋混凝土結構，該類結構損傷的最初表現為混凝土開裂，裂縫可由外荷載或結構變形引起，也可能由混凝土結構內部徐變收縮導致。裂縫的出現不僅影響結構的外觀與正常使用，而且嚴重時危及結構安全。因此，需要通過對裂縫出現位置、發生、發展監測后進行判斷。

混凝土收縮應變監測。混凝土固化期間，不均勻的收縮應變是混凝土結構出現裂縫的主要原因之一，這種影響對大體積混凝土(如壩體、基礎底板)較為嚴重，降低混凝土的整體性，削弱抗滲性能等。光纖傳感器能夠實時監測混凝土固化過程中的收縮應變，且結構簡單、靈敏度高、防水、耐腐蝕。碳纖維混凝土的溫敏性可實現材料的溫度自監測。

振動監測。重要結構的整體或關鍵部位的振幅、額率的測量十分必要，傳統的電容、電阻式加速度計等抗電磁干擾能力差，光纖傳感器能彌補其不足，且具備遠程傳輸功能，壓電材料改變狀態的變化速率極快，所以研究將其應用于結構振動的主動控制成為壓電類智能結構的前沿和熱點。

腐蝕監測。鋼筋腐蝕是影響結構耐久性的主要原因之一。了解鋼筋腐蝕狀況，對防止結構耐久性失效引起的工程事故具有重要的意義。

疲勞監測。在疲勞試驗中發現疲勞壽命絲(箔)無論是在拉伸或壓縮狀態下，其體積導電率會隨疲勞次數發生不可逆的降低，利用這一特性，即可對混凝土材料的疲勞損傷進行監測。同樣碳纖維混凝土也有相同的疲勞性能。

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2 共識

由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小(標準裸光纖為125 μm)、重量輕、耐高溫性好(工作溫度上限可達400℃～600℃)、復用能力強、傳輸距離遠(傳感器到解調端可達幾千米)、耐腐蝕、高靈敏度、無源器件、易形變等優點，早在1988年就成功地在航空、航天領域中作為有效的無損檢測技術，同時光纖光柵傳感器還可應用于化學醫藥、材料工業、水利電力、船舶、煤礦等各個領域，還在土木工程領域(如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機場跑道等)的混凝土組件和結構中，測定其結構的內部應變狀態，從而判斷結構的安全性［3］。

光纖(Optical Fiber)是光導纖維的簡稱，20世紀后半葉光纖及光纖通訊技術的發展是信息革命的重要標志之一［4］。光纖作為光波的傳輸媒介，在通信領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(如尺寸、形狀)和光學參數(如折射率、模式)。和力求減少外部影響的光通訊應用不同，光纖傳感反而是故意增強和測量這些外部因素對光纖的影響。光纖傳感器在按探測外部擾動的方式實踐中，人們發現當光纖受到外界環境的變化，會引起光纖內部傳輸光波參數的變化，而這些變化與外界因素成一定規律，由此發展出光纖傳感技術。

在過去的20年中，世界范圍內，不僅在光纖通訊領域，而且在光纖傳感器和系統的應用和開發方面的投資日益增大。與常規的電傳感器相比，光纖傳感器可以用于不利的環境條件，如強電磁場、高壓、核輻射、爆炸和化學侵蝕性介質及高溫環境。其小巧、靈活和低光信號傳輸損耗特性使得空間分布傳感器陣列和網絡可以用于醫療，或埋設在復合材料結構內，簡言之，即基于光纖的“技術神經系統”的實現［4］。

近年來，傳感器朝著靈敏、精巧、適應性強、智能化和網絡化方向發展。光纖傳感技術是20世紀70年代末新興的一項技術［5］，在全世界成了研究熱門，已與光纖通信并駕齊驅。光纖傳感器作為傳感家族的一名新成員由于其優越的性能而備受青睞，其具有體積小、質量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度很高、測量帶寬很寬、檢測電子設備與傳感器可以間隔很遠等優點，可以構成傳感網絡。

特別是其靈敏度比傳統的傳感器高幾個數量級，可以測量壓力、溫度、應力(應變)、磁場、折射率、形變、微震動、微位移和聲壓等等，能用光纖傳感技術測量的物理量已達到了70多種［6］。

1989年美國布朗大學(Brown University)的Mendez等人首次將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結構的監測。此后，美、英、德、日等國對這方面作了大量的研究工作。

目前，國外發達國家將光纖光柵傳感器作為土木工程結構健康監測的首選技術，用于應力監測、裂縫測量、溫度監測、加速度測量等方面。

目前應用狀況較好的光纖傳感器產品除較簡單的用于工業自動化的強度調制位置、位移和接近光纖傳感器之外，便是干涉型光纖陀螺，現已應用于飛機、衛星、機器人和自動化機車、深層鉆孔或機車，在軍用領域用于導航、定向或穩定平衡系統［7］。

在20世紀90年代，達到一定商業化規模的光纖傳感器越來越多，如用于工業過程控制的壓力、振動和應變傳感器或液位傳感器，電力工業的電流和電壓傳感器，和用于化學工業、采礦和環境監測的氣體和濕度傳感器。

3 展望

隨著上海經濟的快速發展，不僅軌道交通建設規模愈來愈大，而且軌道交通建設速度也不斷加快。繼已經投入運營十二年的1號線、七年的2，3號線和兩年的4號線之后，到2010年，將共建成11條線路，運營里程將達到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、抗剪強度低和結構性強的特點，這種軟土地基在連續不斷的行車荷載作用下，即便是經過長期固結過程的軟土地基也會產生不同程度的沉降，地鐵運營過程中施加于其上的長期周期循環荷載所產生對其強度和變形的影響愈來愈明顯。如日本某鐵路在開通運行5年后的最大沉降近1 m，同時伴有冒泥現象;截止2006年年底，1號線隧道有18處總長近1 km的隧道出現較大的差異沉降，最大累計沉降已經超過30 cm(黃陂南路站—新閘路站)，黃陂南路站—人民廣場站(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，這已經嚴重影響了地鐵的平穩、正常、安全運營。

另外，隧道結構周圍的土木工程項目的施工同樣會引起地鐵隧道結構的變形。對地鐵隧道結構的長期差異沉降和施工的加載和卸載所引起的變形的有效監測是保證地鐵隧道結構安全和地鐵安全運營的首要條件。

在目前的工程實踐中，主要測量地鐵隧道結構的垂直方向和水平方向的位移及隧道的收斂位移，通過位移控制標準控制施工的相關參數。其實，根據連續介質力學可知，隧道結構一點的位移與該點的應變具有特定的關系，因此，只要通過試驗和理論研究得出隧道結構的應變變化規律，隧道結構的應變同樣可以成為地鐵安全保護的技術指標，同樣可以建立隧道結構的應變安全保護技術標準。

通過應變可以直接計算出測點的應力增量，再根據隧道結構的強度判斷結構的安全性及其止水條止水失效的可能性，這種方法與測量位移相比更加直觀，更加方便。

目前，測定結構應變的方法主要有傳統的應變片法和光纖傳感器法。盡管實踐已經證明傳統的應變片法的可靠性和穩定性，但是隧道內的電磁干擾不利于所測數據的穩定，隧道內的潮濕環境又影響應變片的耐久性。而光纖傳感器測量結構應變的方法是一種新的測量方法，在光纖傳感器領域，光纖光柵傳感器的應用前景將十分廣闊。

［1］歐進萍，關新春．土木工程智能結構體系的研究與發展［J］．世界地震工程，1999，15(3):27-28．

［2］Hill K．O．，Fuji 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．光纖測量與傳感技術［M］．哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2000．

［5］胡曉東．分布式光纖傳感技術特點與研究現狀［J］．航空精密制造技術，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］．全國第七次光纖通信學術會議論文集［C］．1995．

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