光纖傳感監測技術在工程地質領域的應用研究

山東省煤田地質局第二勘探隊，山東 濟寧 272000

光纖傳感監測技術具備非常優異的性能，近年來在多個領域得到了非常廣泛的應用和發展，特別是在工程地質領域。工程地質容易受到各種不利因素的影響而降低承載力或者強度，從而使整個工程結構遭受不同程度的破壞，甚至引發其他更為嚴重的問題，如邊坡的失穩、混凝土結構的開裂變形及地基的基礎沉降等。再加上我國是世界上地質災害比較頻繁的國家之一，而且災害的種類多，分布范圍廣，危害性大，對于地質工程的影響也非常明顯。因此，為了使整個工程設施得到安全的使用，需要對工程地質進行全面的安全監測，還需要對災害后的工程結構穩定性進行準確的評估，包括其剩余的可使用年限，這是目前影響巖土與地質工程發展的一大關鍵因素，亟待解決。

1 光纖傳感監測技術概述

光纖傳感器是一種將被測對象的狀態轉變為可測光信號的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經光纖送入調制器，在調制器內通過與外界被測參數的相互作用，使光的光學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化，成為被調制的光信號，再經過光纖送入光電器件，經解調器后獲得被測參數。

光纖傳感監測技術在當代科技領域占有十分重要的地位，且已逐漸廣泛應用于各個學科領域。光纖傳感監測技術是近幾年發展最為迅速的新一代光無源器件，在光纖通信和光纖傳感等相關領域發揮著越來越重要的作用。

光纖傳感監測技術分為兩類：一類為功能型傳感監測技術，它的光纖對被測信號兼有敏感和傳輸的作用；另一類為非功能型傳感監測技術，它的光纖僅起傳輸的作用。功能型傳感監測技術是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化，再通過對被調制過的信號進行解調，從而得出被測信號。光纖在其中不僅是導光媒質，也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制，多采用多模光纖。非功能型傳感監測技術是利用其他敏感元件感受被測量光信號的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質，常采用單模光纖，光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。

2 光纖傳感監測技術的優勢及應用特點

2.1 光纖傳感監測技術的優勢

（1）靈敏度更高。與傳統監測技術相比，光纖傳感監測技術的靈敏度更高。

（2）安裝埋設方便。光纖傳感監測系統更加輕細柔韌，方便安裝及埋設。

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

（4）安全性更好。光纖傳感監測系統的敏感元件屬于電無源元件，因此在實際應用中不會出現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，因此光信號在光纖內傳播的過程中也不會受電磁波的干擾。

（6）可實現分布式監測。一根光纖能夠實現遠距離的連續監測，且可以精確監測各個位置的應變、損傷、振動及溫度等信號變化，從而可以獲得更大的監測范圍，提高監測工作的效率及質量。

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

（8）具有更大的傳輸容量。光纖傳感監測系統是用光纖代替了笨重的多芯水下電纜作為母線，不但質量更輕，而且傳輸容量也更大，可以有效采集各感知點的信號，再通過復用技術來達到分布式監測光纖傳感器信號的目的。

2.2 光纖傳感監測技術的應用特點

光纖傳感監測技術主要應用于巖土和地質工程中，主要可以分為點式光纖傳感監測技術、準分布式光纖傳感監測技術。點式光纖傳感監測技術主要包括邁克爾遜干涉（SOFO）的傳感技術和非本征型法的布里珀羅干涉（EFPI）應用傳感技術，其主要應用在精度方面，如果是要求較高的結構，則需要進行局部變形監測，但是不能復用。準分布式光纖傳感監測技術基于光纖布拉格光柵（FBG）和波分復用（WDM），包括時分復用（TDM）以及空分復用（SDM）等方面的技術，實現多點準分布式傳感網絡系統的構建。在應用分布式光纖傳感監測技術時，主要是應用瑞利散射光時域分析（OTDR）以及自發布里淵光時域散射分析（BOTDR），包括受激布里淵光時域散射分析（BOTDA）、拉曼光時域反射分析（ROTD）等，而分布式光纖傳感系統主要是依照沿線光波分布參量進行分析的。與此同時，光纖傳感監測技術還能夠獲取傳感光纖區域內隨時間和空間變化的被測量分布信息情況，實現長距離、大范圍的長期連續傳感。

3 光纖傳感監測技術在工程地質領域的應用

混合筋混凝土屬于一種結構材料，其主要的應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構中或應用在表面的漿料上，這樣能夠對裂縫寬度進行監測，實現混凝土結構的熱應變。基于光纖光柵傳感器的索力監測裝置如圖1所示。對溫度、振動參數進行調節，可實現結構內部的應變，還能夠加強結構的整體性應用。

圖1 基于光纖光柵傳感器的索力監測裝置

光纖傳感監測技術在接收信號后能夠確定缺陷位置，還能夠實現應力的集中以及實際的應變，從而確定缺陷位置的大小和分布情況。對于光纖傳感監測技術而言，其主要的特征是根據光纖傳感監測技術的光學變化，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，能夠實現快速響應。另外，應用光纖傳感監測技術還能夠開展應力監測，實現結構內部應變。

根據傳感機理可以將應力監測分為以下三種情況：

（1）根據光纖整體的微損耗應變情況進行應力監測。這種監測方法主要是通過相應的輔助變形裝置實現結構內部應變，能夠將應力傳遞到光纖中，通過光纖輸出的光強度變化反映結構應變以及應力變化。

（2）根據雙折射光纖中產生的內側兩次偏振光方面的應變進行干涉，以此進行應力監測。部分專業人士加強了建筑結構中光纖沿與壓力相平行方面的運用，并對埋進雙折射的光纖進行了研究，其具備較高的靈敏度。

（3）根據兩根光纖不同的輸出光之間產生的干涉進行應力監測。

4 結束語

綜上所述，巖土工程屬于工程建設中比較基礎的一項施工工程，其施工質量與整個工程項目所具備的安全性、穩定性、耐久性、適應性等都有著直接的關系，也會對整個工程項目的質量造成影響。隨著光纖傳感監測技術的不斷發展，其已逐漸應用到了巖土工程建設施工監測中，不僅能使整體監測工作變得更加方便快捷，還能夠對巖土工程施工現場相關的環境及其他數據情況進行監測，有效提高整個巖土工程的施工質量。光纖傳感監測技術具備良好的傳感性能與傳導性能，可以應用于遠超過人所能夠承受的生理范圍，能夠在人類無法到達的環境中獲取更多的信息。未來光纖傳感監測技術定會憑借優異的性能得到更加廣泛的應用和快速的發展。