光纖檢測技術在工程中的應用

1、 光纖感應光纖感應檢測檢測技術在工程中的應用技術在工程中的應用 1.概述 光纖檢測技術是20世紀70年代末發(fā)展起來的一門新技術,它是利用外界因素使光在光纖中傳播時光強、相位、偏振態(tài)以及波長(或頻率)等特征參量發(fā)生變化,從而對外界因素進行檢測和信號傳輸的技術稱為光纖檢測技術。光纖傳感器的特點 光纖傳感器用光而不用電作為敏感信息的載體,用光纖而不用金屬導線作為傳遞敏感信息的媒介,具有徑細、柔韌、體積小、質量小、靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾能力強、超高電絕緣、能耗小、造價低廉、便于實現分布式和準分布式檢測、集信息傳輸和傳感于一體等特點,還有寬頻帶和高數據傳輸率及耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)良特性。 可應用

2、于壓力、溫度、位移、振動、應變、加速度、電壓、電流、磁場、流量、濃度、pH值等各種量的測量。光纖檢測技術的基本原理 根據幾何光學原理，當光線以角度0(與光纖軸線的交角)從折射率為n0的空氣中射入纖芯，并以法線角1射到纖芯一包層界面上，如果1大于全反射臨界角度c,則每次全反射后，子午光線就按照通過波導軸線的鋸齒形路徑沿光纖纖芯行進，如圖1所示。根據Snell定律，能使子午光線發(fā)生全反射的最小角度c滿足 Sinc=n2/n1 式中n1，n2:分別為纖芯和包層的折射率 小于c的角度射入纖芯包層界面的光線將折射出纖芯而在包層中傳播或逸出光纖之外而散失。 當把光纖傳感器埋入材料或者結構物當中時,外界待測

3、量的壓力、溫度等作用于光纖引起光纖幾何參量或物理參量變化,對在光纖中傳播的光波的特征參量(如強度、頻率、相位、偏振等)產生調制,通過對調制光的檢測,便能感知外界的信息,從而實現對各種物理量的測量。2.光纖檢測技術應用現狀 目前，應用在國內外巖土工程領域的光纖檢測技術由其所應用的光纖傳感器的原理主要分為以下幾種類型 將通信用光纖直接或外加某種保護后埋入待測體中 布拉格光柵技術 OTDR技術 布里淵散射光時域分析法（BOTDA） 利用偏振保持光纖 基于光的干涉原理的 FP 傳感器光纖光柵技術 因為 Bragg 光柵本身對特定波長的光有反射。當外部應力或應變使 Bragg 光柵的光柵周期發(fā)生改變時,

4、其所反射的波長也相應改變。利用光纖光柵解調儀測量反射波長的改變,再通過計算得到相應的應變(或應力)。 B和B分別是反射光的初始中心波長和中心波長的漂移量;和T分別是光纖所受的應變、溫度變化量;光纖光柵技術特點 光纖光柵的制造、解調技術日趨成熟,使得光纖光柵成為光纖監(jiān)測領域最為活躍的新生力量 光纖光柵的特殊制作工藝導致其在粗放型的工程環(huán)境中極易損壞，需要進行全面保護性封裝 光纖光柵對應變、溫度都極為敏感,在進行長期監(jiān)測時兩者的交叉效應不能忽略 光纖光柵的技術檢測精度高，可集成性高，數據采集頻率高光纖光柵技術布里淵散射光時域分析法（BOTDA） 布里淵散射是光波與聲頻聲波在光纖中傳播時相互作用而產

5、生的光散射過程,其后向散射光頻率相對于入射光有一個頻率偏移，稱為布里淵頻移。當光纖受力或溫度變化時,布里淵頻移將發(fā)生相應的線形變化,利用布里淵光時域反射計(BOTDR)對光信號解調即可測出相應的應力或溫度變化。 式中:Y B(,T)和Y B( 0,T 0)分別為測試前后光纖中布里淵散射光的頻移量;和 0分別為測試前后的軸向應變值;T和T 0分別為測試前后的溫度值;布里淵散射光時域分析法（BOTDA）特點 它是一種完全分布式的應變、溫度監(jiān)測技術,光纖本身集傳感、傳輸于一體,易于實現網狀監(jiān)測。該技術的布設工藝相對簡單,只需將傳感光纖按照一定的規(guī)律敷設在邊坡體表面或埋入支護體系中。由于傳感光纖為普通

6、單模光纖(或光纜),監(jiān)測成本可以得到較好的控制。 該技術基于光纖的雙端解調,因此現場布線時必須做好防止光纖斷裂的保護工作,或者采取預設后備光纖的措施 在數據解調方面,由于每次測試需要一定的頻譜掃描時間(通常為幾秒到幾分鐘之間),因此無法實現高頻數據采集;Fabry- Perot光纖傳感器的傳感技術 Fabry Perot傳感器是以干涉測量法為測量原理。使用的是寬頻白光光源。傳感器內部包含兩個面對面的半反射鏡,兩鏡之間的間隙被稱為F P腔長度(Lc),兩單獨焊點之間的距離為儀器長度(Lg),它規(guī)定了傳感器的工作范圍和靈敏度。由讀出裝置發(fā)射的白光一部分被第一個半反射鏡反射,另一部分穿過F P腔后被

7、第二個半反射鏡部分反射。兩組反射光發(fā)生干涉并返回到讀出裝置的檢測器上。通過檢測干涉光的變化得出腔長Lc的變化而當儀器被粘結于一被測物體上時,物體的應變直接轉變?yōu)榍婚L變化,而且由公式:法布里 泊羅(FP)傳感器，這就要求干涉條紋清晰,從而要求兩路干涉光的光強相等，使光纖光路的靈活和連接的方便等優(yōu)點大打折扣，而且它是一種過程傳感器，而不是狀態(tài)傳感器,必須要有一個固定參考點,這樣就給傳統(tǒng)光纖傳感器的應用帶來了難度。3.光纖檢測技術應用于巖土工程的關鍵問題研究 光纖的埋設 光纖埋設對工程結構強度的影響光纖的埋設 對于土石壩、人工填土工程或混凝土結構等,可以在邊施工時,邊埋設光纖。對于非人工修建的巖土工

8、程(如邊坡)等,可采用人工打鉆孔的方法,埋設光纖。 工程中的粗骨料,混凝土的搗實、固化,土石壩的夯實等都會導致光纖的損傷。根據實踐經驗,光纖埋入巖土工程中有如下幾個較好的方法: (1)先將傳感光纖埋入一小型預制件中,再把這一小構件埋入工程中,這里值得注意的一點是,預制件材料的力學性質應與工程材料一致或相近; (2)對于鋼筋混凝土結構,可將光纖粘結到鋼筋上,一方面鋼筋可保護光纖,另一方面鋼筋的受力、變形足以反應結構的內部應力、應變狀態(tài); (3)在工程中埋入經過特殊保護的光纜或光纖束; (4)先采用小導管保護,在粘結劑固化之前將小導管拔出。光纖埋設對工程結構強度的影響 光纖埋設對新建的巖土工程(如土石壩)的強度的影響比較小,因為光纖比較小,光纖的高分子被覆層耐腐蝕性好,強度高。對原有的巖土工程(如邊坡)須采用鉆孔的方法來埋設光纖,那么它對工程結構強度的影響就不可忽略了。為了盡量減小這種影響,應盡量采用小鉆孔,最好將光纖粘結于鋼筋上,再將它埋入鉆孔中,用水泥將它與工程介質固定。 綜上所述,光纖檢測技術因為其自身優(yōu)于其他傳統(tǒng)檢測技術的優(yōu)勢,在巖土工程領域的應用發(fā)展迅速。其缺