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1 光纤传感器 1 引文引文 监测技术作为工程师的眼睛，在地下工程的安全施工和顺利运营中发挥着不可忽视的作用目前地下工程监测所采用的传感元件主要是基于电阻式、电感式及钢弦式等的点式传感器这些常规的电类传感器普遍存在寿命短、成本高、安装不便、易受周围环境影响、易受电磁干扰、易被腐蚀、不能进行实时监测和不能实现分布测量等缺点 光纤传感技术是近年来发展起来的尖端监测技术光纤传感器是利用光纤技术和光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器在光纤传感器中，光纤既是传感介质也是传输介质作为传感介质的光纤，具有测量敏感性高、性能稳定的优点；而作为传输介质的光纤，在传输过程中不受电磁干扰、信号损失量小，传感光纤可以直接通过光缆连到控制监测中心，这样就可以实现远程分布式监测 鉴于光纤传感器的这些优点，其在工程监测领域受到越来越多的重视光纤传感技术已经在隧道、基坑等地下工程的施工和运营中得到大量应用光纤传感器根据测量方式可划分：点式（SOFO） 、准分布式（FBG）和分布式传感器（BOTDR & BOTDA）三种类型 2 光纤传感器光纤传感器简介简介 2.1 点式光纤传感器点式光纤传感器（（SOFO）） SOFO（源于法语 Surveillance d’Ouvragespar Fibres Optiques 的首字母，意为光纤结构监测）是由瑞士联邦工业学院土木工程系 IMAC 应力分析实验室开发的一种点式光纤传感器。

完整的 SOFO 监测系统包括光纤传感器、读数装置、数据分析软件以及附属设备（转换箱、连接盒、光缆和连接器等） SOFO 监测系统如图 1 所示 SOFO 测量系统基于低相干干涉原理： 传感器实际上是一个由测量光纤和参考光纤组成的全光纤迈尔逊干涉仪发光二极管发出的激光光束被耦合器分为两束强度相同的光，分别进入测量光纤和参考光纤测量光纤可以随结构变形而改变光程的长度；参考光纤用于补偿由温度变化而引起的光纤折射率的变化由于两束光线经过不同的路线而存在光程差，因而相遇时会发生干涉，利用这些干涉图像，可以推断出光在测量光纤中受结构变形影响发生的改变，进而得到结构变形量 SOFO 测量精度和分辨率很高，但受成本和信号传输的限制，布点数量很有限，还不能从根本上突破点式测量的局限，比较适用于结构重点部位的监测 2 耦合器被测量参考光纤测量光纤反 光 镜便携式读数仪数据存储器便携式PC机SOFOμA/D滤光器放大器光电 二极管发光 二极管耦合器图 1 SOFO 监测系统组成 2.2 准分布式光纤传感器准分布式光纤传感器（（FBG）） 光纤 Bragg 光栅（Fiber Bragg Grating，简称 FBG）传感器是利用光敏光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化效应，使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布而得到的一种波长调制型光纤传感器。

光纤光栅技术于 1978 年问世， 它本质是一段纤芯折射率周期性变化的光纤， 长度一般只有 10mm 左右光纤 Bragg 光栅传感原理如图 2 所示 透射光透射光入射光入射光反射光反射光包层包层栅格周期栅格周期入射光谱入射光谱波长波长透射光谱透射光谱波长波长反射光谱反射光谱波长波长光 功 率光 功 率光 功 率光 功 率光 功 率光 功 率纤芯纤芯图 2 光纤 Bragg 光栅传感原理图 FBG 类似于波长选择反射器，当一束宽光谱光 λ（如图中的入射光）经过光纤光栅时，满足 Bragg 衍射条件的入射光（波长为 λB，如图中的反射光）在 FBG 处被反射，其它波长的光会全部穿过而不受影响反射光的中心波长 λB与光栅的折射率变化周期 Λ 和纤芯有效折射率 neff有关当光纤光栅的应变或温度发生变化时，将导致光栅周期 Λ 和有效纤芯折射率 neff产生变化，从而产生光栅布拉格信号的波长漂移 ΔλB，通过监测布拉格波长 λB的变化情况，即可获得测点上光纤光栅的应变或温度的变化状况一般地，在温度和应变同时变化的情况下，光纤光栅波长漂移 ΔλB与应变和温度的关系如下： 3 1B e BpT （1） 其中，pe为有效弹光常数；α 为光纤的的热膨胀系数；ξ 为光纤光栅的热光系数；ΔT 为温度的变化量；ε 为光纤光栅所受的应变量。

所以，光纤光栅 Bragg 波长的变化与应变或环境温度的变化呈线性变化关系当温度发生变化时，可以通过附在光路上的温度传感器将温度变化 ΔT 剔除，这样就可以通过检测波长变化量 ΔλB来推出被测结构的绝对应变 FBG 不仅分辨率高，所测的应变位置明确易定，而且还能使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传感器，实现真正意义上的多点线式分布测量因此，FBG 比其他光纤传感器更适合于大型结构的多点监测 2.3 分布分布式光纤传感器式光纤传感器 2.3.1 BOTDR BOTDR 是基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射计（Brillouin Optic Time-Domain Reflectmeter，简称 BOTDR） ，其基本原理是利用光纤中的自然布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变之间的线性关系，得到光纤的轴向应变应用 BOTDR 分析仪，不断增加入射光的频率，就能获得光纤最大的布里渊光强度值，通过对光纤在发生应变前后处的布里渊散射光最大强度值所对应的频率漂移量，就能换算出光纤的应变值基于 BOTDR 的分布式光纤传感器典型结构如图 3 所示 激光器耦合器检测器传感光纤图 3 基于 BOTDR 的分布式光纤传感系统 光纤的轴向应变与布里渊散射光频率的漂移量可用下式表示：    0B BBd d（2）式中： B为光纤发生应变时布里渊散射光频率的漂移量； 0B为光纤无应变时布里渊散射光频率的漂移量； Bdd为比例系数，约为 0.5GHz/%；为光纤的轴向应变。

布里渊散射光与其他散射光相比，一个突出优点是它的频移变化量与温度的相关性比其与应变的相关性要小得多（0.002%/ C） ，因此，当测量与应变相关的布里渊频移时，如果温差小于5 C时，常忽略温度对布里渊频移的影响 BOTDR 技术是一种分布式的监测技术，可以检测出光纤上各点的轴向应变，但值得注意的是，这里所指的距离为 Z 处的一点，实际上是一段 dZ=W× Vg/2 的光纤长度（W 为入射脉冲光的宽度，Vg为光波在光纤中沿轴向传播的速度） dZ 为光时域反射技术理论上可分辨的最小光纤长度， 称为距离分解度 常规 BOTDR的距离分解度一般在 1m 左右 4 2.3.2 BOTDA BOTDA 是基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析（Brillouin Optic Time-Domain Analysis，简称BOTDA） 其基本原理是：当光纤某个区段的温度或应变发生变化时，该部位的布里渊频移便随之发生变化，从而引起该区段的 BOTDA 信号变化通过调谐使入射泵浦光和探测光之间的光频差等于新的布里渊频移，便能接收到该点的布里渊散射信号由于布里渊频移与温度、应变存性关系，因此，对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一段耦合出来的探测光的功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到光纤沿任一点的温度、应变分布。

基于 BOTDA 的分布式光纤传感器典型结构如图 4 所示 泵浦光耦合器检测器传感光纤探测光图 4 基于 BOTDA 的分布式光纤传感系统 同 BOTDR 技术相比， BOTDA 传感系统可以利用直流探测光和脉冲泵浦光之间的受激布里渊散射，通过受激布里渊效应对探测光的放大，实现接收信号强度大、测量精度高和动态范围宽等特性但 BOTDA技术采用双端检测，需要从光纤两端分别注入泵浦光和探测光，传感光纤必须构成测量回路，给工程实际应用带来一定的困难 3 光纤传感器的光纤传感器的注意事项注意事项 3.1 温度补偿温度补偿 由于光纤传感器对应变与温度同时敏感，所以用光纤传感器作为应变传感元件时，应消除温度所带来的影响由于 FBG 在光纤传感器中的地位突出，故现以 FBG 的温度补偿为例对该部分进行说明 对 FBG 采取温度补偿的具体做法是：在一根光纤上同时串联应变测量光栅和温度补偿光栅（如图 5 所示） 测量光栅受应变和温度同时作用，温度补偿光栅由于悬空仅受温度影响，而不受结构的作用二者处于同一温度场中，它们对环境温度的变化具有相同的响应，即温度变化引起二者波长变化量相同，在测量光栅的波长漂移中扣除温度变化引起的波长漂移，便得到应变单独作用引起的波长漂移，从而达到温度补偿的目的，即 totalT K（3）212111212effnKPPP （4）式中： ε 为轴向应变，total为应变和温度引起测量光栅的波长漂移量，T为温度补偿光栅的波长漂移量，K为 FBG 的应变灵敏度系数。

5 横向测量光栅温度补偿光栅（悬空）轴 向 测 量 光 栅图 5 FBG 温度补偿光栅串联示意图 3.2 光纤的封装光纤的封装保护保护 为了防止周围物质对光纤造成污染，为了消除振动、机械碰撞等因素对光纤造成的损伤，也为了提高光纤传感系统的光学和电学性能，并改善监测系统的长期稳定性，光纤要经过特殊的封装保护后才能满足实际需要以下是几种常用的光纤封装方式： （1）粘贴封装该封装方法是将光纤直接粘贴于拱架钢筋、混凝土和锚固杆件表面上，再用环氧树脂、水泥砂浆进行涂抹或浇注保护，是一种最为简便的封装方法，施工难度小，适合支护钢架、预制式衬体及作业机械等规则结构体的变形监测 （2）管片式封装该方法是将光纤附着到特制的管、片或丝等传感媒介器件上（内） ，再密闭封装成独立传感器件，是现在最为常用和成熟的光纤传感器封装方法 （3）植入复合材料封装目前基于碳纤维加筋（CFRP）或玻璃纤维加筋（GFRP）的树脂基复合材料杆件被大量应用到了岩土工程中，因此可在其加工时直接将光纤植入内部形成智能杆件，替代传统钢材将支护与监测并行该方法封装的传感器将光纤与监测对象完全耦合，不会因施工破坏及地下水腐蚀失效 3.3 光纤光纤铺设方法铺设方法 为了使光纤准确反映被测构筑物的应变状态，必须使光纤与构筑物同步变形。

为了确保这一点，光纤铺设的方法目前主要有两种：一种是用专用或特制的粘结剂将光纤粘贴在被测构筑物上，这种方法主要用于已建构筑物的监测；另一种是将光纤植入构筑物中如钢筋混凝土中，这种方法主要用于在建构筑物及其竣工后的安全质量监测 光纤铺设的另外一个方面是采用何种方式进行铺设根据构筑物整体和局部变形等特点以及监测仪器的距离分解度，可采用不同的铺设方式，这里介绍 2 种： （1）全面接着铺设：将光纤拉直后，用粘结剂将光纤完全贴附在结构物上 ，由于拉直的光纤与结构物紧密相联， 因此可以确保它的应变与构筑物保持同步， 这种方法主要用于构筑物整体变形的监测 （见图 6） （2）定点接着铺设：将光纤拉直、微微受力绷紧后，按一定的间隔定点粘着在构筑物上一旦构筑物沿光纤方向拉伸或收缩，两点之间的光纤即发生变形，从而测得构筑物在两点间的变形情况此种铺设方式主要用于构筑物局部变形的监测（见图 6） 6 全面接着法定点接着法光纤粘结剂图 6 光纤全面接着与定点接着示意图 3.4 光纤传感器的标定光纤传感器的标定 光纤传感系统的传递特性与光纤的材料特性密切相关，因此光纤传感器在启用前必须进行标定传感器的标定方法大致可分为以下两类： （1）用高精度仪器进行标定。

在标定系统中，用高精度的测量仪器和待标定光纤传感器同时量测标准量，利用前者得到的输入—输出关系作为标准对光纤传感器进行标定 （2）用理论值对系统进行标定构造简单的受荷系统，利用严格的理论推导得出输入量与输出量的函数关系，再利用待标定光纤对标准量进行量测，将前者得到的输入—输出曲线作为标准对光纤传感器进行标定。