土木工程監(jiān)測用光纖F—P位移測量技術的應用

王亮

【摘要】橋梁、大型水壩、核電站、超高層建筑等等大型工程結構和基礎設施的使用期間往往可以長達數(shù)十年甚至上百年。在使用過程中由于各類因素，如環(huán)境荷載作用、腐蝕效應、材料老化等等導致結構產生累積性的損傷，隨之而來的抗力衰減，嚴重時會導致突發(fā)事故的發(fā)生。光纖傳感器因體積小、質量輕而易于攜帶，且結構簡單，對于電磁場有超強的抗干擾能力，同時具備高靈敏度和精度的特性，成為土木界研究的一個新的關注點。本文主要簡介了光纖Fabry- Perot位移傳感器在土木工程檢測中的位移測量技術的應用。

【關鍵詞】土木工程 F-P位移測量技術 光纖傳感器 應用

【中圖分類號】G71 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）10-0170-02

通過不同參數(shù)的光纖傳感器檢測土木工程結構的狀況，是土木工程研究的一大進步?；贔-P原理的光纖位移傳感器滿足了土木工程的長期檢測所要求的精度和穩(wěn)定性。

一、光纖F- P位移傳感器原理及測量系統(tǒng)

光纖F- P位移傳感器是由毛細玻璃管做成的傳感頭外殼和兩段多膜內置設備組成。F-P干涉腔由鍍上反射鏡和半透鏡之間的接口形成。環(huán)氧樹脂被用于固定右邊的光纖，以便光信號的傳輸。左側的光纖則以強化材料涂覆，并固定不銹鋼等剛度較大的材料，以便位移信號的傳遞。這就是外腔式F-P光纖位移傳感器的構成。腔長隨著外界位移的作用而發(fā)生變化，根據(jù)F-P腔導致傳輸光的光程差產生一定的變化可以測量腔長。當光程差達到傳輸光半波長的整數(shù)倍，就會出現(xiàn)干涉條紋。這類干涉條紋的測量就可以推知腔長的變化，從而測得外界的位移。

二、工程應用中光纖F—P位移測量技術應用

混凝土結構通常處于高濕度和高堿性的狀態(tài)之下，而光纖傳感器若要在這類施工環(huán)境之下保持穩(wěn)定并且持久保持穩(wěn)定，那在傳感器外部需要加上特殊的機械外殼。這樣才能在保持傳感器原有靈敏性的同時，適應混凝土結構的施工環(huán)境，同時能滿足混凝土結構的剛度要求。但若是在這種處理之下將光纖傳感器直接放置在混凝土結構中進行測量，那在施工過程中造成的沖擊和震蕩都有可能引起光纖傳感器的損壞，不利于光纖傳感器的長期有效使用，大大縮短了使用壽命，同時也會影響光纖傳感器的測量精確度。因而在安置光纖傳感器時，應當考慮施工環(huán)境對光纖傳感器的影響，避免不必要的損壞，從而更好的監(jiān)測混凝土結構中的應變數(shù)據(jù)。

由于不可能在土木結構監(jiān)測之中的每個傳感器位置都放置測量儀表，因而，一般都是將測量儀表固定在某個安全位置，從而對這個土木結構進行統(tǒng)一的測量。在這種狀態(tài)下，就可以用光纜將多個F-P傳感器遠距離傳輸?shù)酵晃恢谩５捎诠饩€傳感器是不同層次埋入土木結構之中，因而對于將單芯軟光纜引到混凝土結構表面具有一定的難度。雖有聚乙烯的蛇皮軟管的保護，但通常這類保護會因混凝土施工的沖擊而遭到破壞。

因光纖傳感器通常以光波長 作為測量標準，因而具有極高的靈敏度。此外，光纖傳感器不受外界的電源、電器噪聲、光強波動等一系列因素的影響，因而具有極高的精確度和穩(wěn)定性。同時由于使用的簡易，操作方便，不需要進行特殊的調試，開機就可以使用光纖傳感器和測量儀器。這樣就能進行混凝土結構的絕對測量。但前提是確保光纖傳感器在混凝土結構中的完好無損，能夠抵抗因施工引起的沖擊和震蕩導致的光纖傳感器的破損。這就要求在設計之初就應對光纖傳感器的埋入點和所受到的力有一個大概的估算，能夠將光纖傳感器先埋入一個單位混凝土之中，再將其埋入土木結構之中。

光纖F-G傳感器的光信息需要通過單芯軟光纜引到混凝土結構的表面，因而對單芯軟光纜的保護也十分重要。一旦單芯軟光纜出現(xiàn)斷裂的情況，光纖F-G傳感器所接收到的信息也無法順利傳輸，測量者也就不能獲得傳感器的信息。由于單芯軟光纜通常又軟又脆，極易斷裂和破損，因而可以使用與混凝土材質相似的管套套在單芯軟光纜之外形成一層保護，從而可以有效削弱混凝土施工引起的沖擊和震蕩，能夠避免單芯軟光纜受到損傷。

傳統(tǒng)的通信光纜在傳輸光纖F-P傳感器的光信息時，具有極大的傳輸損耗性。目前所使用的通信光纜一般是符合G.651的多模光纖或者是G.652的單模光纖。這類光纖的傳輸特性存在三個低損耗窗口，即852nm、1310nm和1550nm這三個波長范圍內，其余波長范圍內的光纖損耗則較高。光纖F-G傳感器所傳輸?shù)墓庑盘栆话闶嵌嗖ㄩL、寬帶類型的光信號。并且這類光信號中還還有4%入射光強的反射光，對于傳輸?shù)膿p耗要求較高。為了達到光纖F-G傳感器對傳輸損耗的要求，就只能使用單色性較好的激光光源，切將光波長調至光纖的低損耗波長范圍內，或者是使用特殊的塑料光纖，以滿足光纖F-G傳感器的測量要求。

三、結語

光纖傳感器因體積小、質量輕而易于攜帶，且結構簡單，對于電磁場有超強的抗干擾能力，同時具備高靈敏度和精度的特性，成為土木界研究的一個新的關注點。通過不同參數(shù)的光纖傳感器檢測土木工程結構的狀況，是土木工程研究的一大進步。基于F-P原理的光纖位移傳感器滿足了土木工程的長期檢測所要求的精度和穩(wěn)定性。光纖F-P傳感器作為新興位移測量技術，可以為土木工程監(jiān)測提供精確的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠距離監(jiān)測，并且能融合信息技術，將其與其他結構監(jiān)測量構成一個監(jiān)測體系，以便克服環(huán)境惡劣和人不易達到之處的種種不便，為土木工程的監(jiān)測提供了一條新思路，具有極好的前景。

參考文獻

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