光纤监测技术在土木工程中的应用现状及展望

光纤监测技术在土木工程中的应用现状及展望本文将基于土木工程的主要特点和对监测技术的基本要求，总结目前国内外光纤监测技术的具体应用问题，并在此基础上提出该技术在土木工程领域的应用前景。标签：光纤监测技术；土木工程；传感器一、前言通常来说，土木工程监测技术是一门相对综合性很强的技术，主要包括传统的大地测量法、传感器技术、GPS技术及外部变形监测、雷达技术和声发射监测技术等。我国需要不断加强高新监测仪器的研制，降低我国土木工程监测的成本。当前，随着很多土木工程结构和基础设施建设的大型化和复杂化发展，其结构的设计理论和施工工艺都面临着一系列新的问题。但是由于传统仪器的局限性，比如安装困难、监测范围小、长期稳定性差、不能及时准确地传递给建设、管理和维修等部门所需要的信息，将逐渐被新的方法和技术所取代。本文将就光纤技术在土木工程的安全监测高新技术领域的应用和发展状况做了深入的剖析，并指出存在的主要问题。二、 光纤监测技术的特征和原理光纤检测技术是利用外界因素使光在光纤中传播时引起的光强、相位、偏振态以及波长（或频率）等特征参量的变化，从而对外界因素进行监测和信号传输的技术。高精度、长距离、分布式和长期性是土木工程对它的要求。光纤监测传感系统由光源、接口、光导纤维、光电探测器、光调制机构、信号处理器等部分组成，以光波为信息载体，以光纤为传输媒质。光纤传感器的种类很多，按最基本的原理可分为两类：一类为非本征型传感器，它的光纤仅起传输的作用，对被测信号的感觉是利用其他光学敏感元件来完成的。另一类为本征型传感器，它的光纤有传、感合一的特点，利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行测量和数据传输的光纤传感器.按照测量的空间分布情况，光纤传感器可以分为点式、准分布式和分布式3种，后两种传感器是光纤传感器所特有的功能，即能够用1根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布。三、 光纤监测技术在土木工程中的应用现状自1989年Mendez等首先将光纤传感器埋入混凝土结构中进行结构安全检测以来，美国、日本、英国、德国等国家相继推动了光纤传感技术在水利及土木工程中的应用，目前已经扩展到大型结构的应力应变和温度监测；大坝、河堤的渗漏监测；大坝、河堤、桥梁的混凝土凝固与养护温度；震区坝体、道路桥梁的损坏和险情评估；隧道、铁路、公路的火灾监测和报警；石油、天然气输送管道或储罐泄漏监测；深井油压和温度测量；深海油压平台提升装置监测；碳纤维或钢筋和混凝土结构中嵌入式張力测量；电磁场或恶劣腐蚀环境中测量等应用中。1、国外应用现状国外在这方面的应用比我国要成熟许多，选取若干事例如下：女如ATT-AT和TNN-Infranet在日本横滨跨径悬索大桥安装了MOI监测系统，应用了20个光纤传感器，系统自从安装以来没有出现过故障，一直良好地跟踪监测承受六车道与两列车道重交通和强烈风荷载高应力作用下大桥的运营状态Kronenberg和Glisic等在瑞士和法国边界一个Emosson发电站水库的大坝上安装了SOFO系统，用它来测量坝体的裂纹和基础的位移，测试结果表明光纤传感器与原来杆式伸长计的结果非常吻合（如图1所示，据MOI公司提供），结果也比较精确。2002年，德国柏林采用BOTDR传感器来检测盐水管道的渗漏探测，利用远程系统监控，一旦管道出现渗漏，系统就会自动报警和管理。意大利科摩大教堂采用FBG传感器，来监测结构的沉降量，系统中采用了28个传感器（16个位移传感器和12个温度传感器），大约用了1.2Km的光纤，自从安装以后，3a内系统都没有出过故障，采集的数据能定期为维护修理提供信息。2002年8月，挪威NorskHydroASA公司在北海挪威海域QsebergEst（东）油田E11C井安装了由多个光纤温度和压力计及一条分布式温度传感光纤构成的监测系统，该系统安装后，已经为日常生产管理提供了大量数据，使油田在寿命期内的战略油藏管理成为可能。图1Emosson大坝监测位移曲线图2、国内应用现状哈尔滨工业大学研制的结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统，已经成功应用到胜利油田GB32A海洋平台、山东滨州黄河公路大桥、南京长江第三大桥、四川峨边大渡河大桥、黑龙江松花江大桥、奥林匹克游泳中心“水立方”等工程中。其中在南京长江第三大桥深水基础施工监测项目中共布设了397个光纤光栅应变和温度传感器，其中温度测量225个、吊杆14个、主墩护筒87个、试验桩11个和基桩钢筋笼60个，取得良好的控制效果（如图2所示，据MOI公司提供）。此项目是目前国际上施工控制中布设光纤光栅应变和温度传感器最多的桥梁基础，并在此基础上开发了施工监测网络数据库，用监测到的数据直接指导施工过程，促进信息化施工的发展，其应用研究成果达到国际先进水平，并取得了显著的社会和经济效益，具有重要的推广应用价值。图2激振过程监测结果四、光纤监测技术在土木工程中的应用展望尽管光纤光栅传感技术已经在土木工程中得到应用，相对于常规的传感器，其起步时间短，在实际工程检验时间不长，该技术在应用过程中仍然存在有待进步研究的关键技术和问题。1、FBG传感技术的稳定性和耐久性的提高。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术，温度传感器是其中的一项重要研究内容。目前FBG传感技术相对于常规的传感器，应用时间短，需要进一步验证和研究FBG传感技术在土木工程应用的耐久性和长期稳定性。2、传感器系统的标定、指标、实施等标准和标准化技术。现今光纤传感器产品系列品种繁多，其参数及结构形式是根据各个监测对象进行定制，没有统一的标准及技术规范，加大了推广应用的技术难度。有必要建立光纤传感器的新技术标准。3、封装及安装保护规程化。现今的光纤传感器封装和安装保护方式和方法较多，各单位按照各自思路实施，给监测数据带来一定的偶然性。对各种封装和保护工艺制定规程有利于该项技术推广。另外，封装后的光纤光栅传感器的传感机理还需要进一步研究。4、光纤光栅传感器的优化布置方法还有待进一步研究，即如何在大型土木工程结构中以最少的光纤光栅传感器数量来获取尽可能多的对结构状况准确反应的信息。5、光纤传感解调设备价格高。现今各种类型的光纤传感解调设备价格较高，制约该项技术在我国推广应用。自主研发和生产解调设备并大幅降低其价位，对光纤传感推广应用起到很大的推动作用。6、BOTDR是一种新型的分布式光纤传感技术，被测光纤长度可达数十公里。BOTDR技术具有适用范围广、长时效性、分布式、高灵敏度等优点，因此目前已经成为结构健康监测的一项重要手段。利用合理线路设计和铺设工艺，BOTDR不仅能用于结构体应变的分布式监测，还能用于温度的分布式测量，对于某特定对象的温度监测或预警系统，可以通过优化参数设置，缩短测量时间达到准实时监测的水平，应用前景十分广阔。五、结束语综上所述，光纤监测技术已经成为我国土木工程监测的关键技术，而且可以预测光纤材料将成为现代土木工程结构安全监测和状态控制的首选传感材料。虽然目前光纤监测技术在土木工程领域的应用与发展状况来看，基础研究薄弱，而且技术还不成熟，但是今后仍需继续开展光纤传感器及其监测系统的研制开发和试验应用，从而大力提高它对土木工程建筑物的监测能力，使其在土木工程领域中得以广泛应用。参考文献：

［1］闫会春•杨娜•古建木结构健康监测系统预警机制探讨［J］.武汉理工大学学报.2010(9)：266-270.⑵储华平.周克明.谢红兰.全光纤大坝监测自动化系统在土石坝中的应用［J］.水利水文自动化.2003(4)：11-15.亠raY瞬,*川川卅川isn(w工件川祜求杠间隔1IZ1OJM妊柑间命Il/iwu图2激梅过程监测