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光纤传感器在岩土工程中的应用
来源:赛斯维传感器网 发表于 2014/9/28

  摘要:光纤传感器作为传感器家族的后起之秀,瓮借其优异的性能近年来在很多领城获得了广泛应用和快速 发展。文章介绍了光纤传感器的工作原理,并以岩土测4和边坡支护为例介绍了光纤传感器在岩土工程中的 应用,并对光纤传感器的发展趋势进行了简单分析。

  关键词:光纤传感器;岩土工程;岩土监測;隧道监刻

  1 光纤传感器的工作原理

  在信息时代,各领域对信息的准确度和可靠性 提出了更高的要求,被称为“电五官”的光纤传感 器在获取信息方面发挥了重要作用。光纤传感技术 是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发 展起来的,以光波为载体,光纤为媒介,感知和传 输外界被测量信号的新型传感技术。随着技术的进 步,传感器不断向智能化和精确化的方向发展,光 纤传感器正是其发展成果之一。光纤具有良好的物 理和化学特性,并具备出色的传感和传导性能,还 能超越人的生理承受范围.到达人无法到达的环境 获取人的感官不能获取的信息,光纤传感器作为传感器家族的后起之秀,凭借其优异的性能近年来在 很多领域获得了广泛应用和快速发展。

  如图1所示,光纤由高折射率的纤芯和包层两部 分组成,纤芯的折射率大于包层的折射率,包层直径 大致为0.1~0.2mm,光线通过端面透入纤芯,在与包 层的交界面处发生光线的完全内反射,光线反射至纤 芯层,经过不断反射,光线沿着纤芯向前传播。


  光纤传感系统由光源、光导纤维、光传感元件,光调制元件和信号处理五部分组成,其工作原理如图2所示。光源发出的光经过光导纤维进入光 传感元件,而在光传感元件中受到周围环境场的彩 响而发生变化的光再进入光调制机构,由其将传感 元件测量的参数调制成幅度、相位、偏振等信息, 最后利用微处理器进行信号分析。


  2 光纤传感器与岩土监测需要的契合

  随着社会的进步,岩土工程的难度加大,对技 术的要求也越来越高。岩土工程具有不确定性,同 时由于设计的复杂性,项目目标往往很难达成。为 了尽可能地控制好施工过程,必须充分掌握和利用 各种信息,因此我们积极提倡信息化施工。光纤具 有很多优异的性能,例如:抗电磁千扰和原子辐射 的性能,径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、 无感应的电气性能;酎水、耐高温、耐腐蚀的化学 性能等I它能够在人达不到的地方,起到人的耳目 作用,而且还能超越人的生理界限,接收人的感官 所感受不到的外界信息。光纤传感器因其具有不受 电磁干扰,信息量大,体积小,重量轻,抗辐射和 防潮能力强,灵敏度髙,易于与计算机应用相结合 等众多优点,成为岩土工程检测的重要手段。在岩土工程中,通过光纤传感器检测技术可以对施工中 出现的问题进行及时分析,通过获得的准确数据对 设计方案进行调整,使效益最大化,能够实现对大型建筑物的在线实时监测,在防止安全事故方面具 有重要意义。

  3 光纤传感器在岩土测量中的应用

  岩土工程主要包括岩土测量、基坑支护、边坡 支护、地下硐室、地基处理和桩基础等内容。本文 以岩土测量和边坡支护为例探讨光纤传感器在岩土 工程中的应用。

  3.1光纤传感器在隧道监测中的应用

  光纤传感器在隧道上应用比较成熟,例如武汉 的天兴洲大桥上有成百上千个光纤传感测点,时时 监控桥梁的结构、受力和振动等情况,一旦发现异 常,管理机构就能立即采取措施。以某湖底隧道为 例,施工地质条件不理想,难度大,尤其是湖区沙 层分布广泛,厚度大,对隧道结构采用了分布式 BOTDR光纤检测系统,沿隧道轴向敷设4根光纤, 其中两根全面接着(监测隧道整体变形),两根定 点接着(监测变形缝和潜在变形处的变形情况)。 通过采用光纤传感器对隧道进行监测,实时监测隧 道变形情况,能够获得可靠的数据,可分析出正确 结果,反映隧道实际受力情况,起到隧道的健康监 测、预防保护作用;能够体现出光纤光栅传感器的强大优势,保证了施工的顺利进行,提升了施工质量。光纤传感器在桥梁隧道监测方面的应用主要有 以下三个方面:对采用新型复合材料的桥梁结构进 行监测,掌握材料和结构的工作性能;对交通枢纽或具有重大意义的大型桥梁进行健康监测,掌握桥 梁的正常运行状态;对有一定损伤的旧桥进行监 测,从而了解其健康状况并采取针对性的维护和加固措施。如图3所示:


  3.2光纤传感器在边坡监测中的应用

  边坡一般地形地貌复杂,容易受地震、降雨等 因素的影响,坡体易发生变形,容易引发地质灾 害,对其长期监测是非常必要的。光纤传感器的引 入能够实现对易滑坡区段的实时监测,及时发出警 报,为边坡加固和维持稳定提供依据。以某工程为 例,其所处地区地形地貌复杂,降水量大,地下水 位较高,岩土风化严重。公路边坡长51米,高10 米,坡角35°。为了对边坡进行长期稳定监测,该 现场安装了近百个光纤传感器,组成了一个监测和 预警系统。该监测系统的布设主要包括以下几个部 分:FBG监测抗滑桩、FBG测斜仪、FBG监测土钉、 多通道扩展模块、光纤光栅解调仪和数据采集计算 机,数据处理计算机。

  为了监测土钉的受力状态,特选取一根14米的 土钉将若干个光纤光栅应变传感器布设在钢筋上下 表面上,还布设了10个光纤光栅温度传感器进行温 度补偿,利用土钉应变数据来计算土钉的轴力和弯 矩沿土钉长度的分布曲线。此外,选取了两根抗滑桩,在每根H型钢的两翼缘板上布设了 18个光纤光 栅应变传感器和9个光纤光栅温度传感器,并沿桩 长用PVC线槽保护传输光纤。根据光纤检测资料, '可以判断坡体下滑力和抗滑力的变化情况。最后, 基于网络和基于Labview平台的采集和数据处理软 件,利用计算机对监测数据进行分析,得出边坡坡 表变形和抗滑桩的整体健康状况。

  我国地域广大,地形复杂,泥石流和山体滑坡 是常见地质灾害,加之人为因素的影响,使得坡体 滑坡事故多发,因此边坡稳定的检测非常必要。光 纤传感器在边坡支护中的应用技术有待于进一步开发和研究,以发挥更大作用。

  4 结 语

  光纤传感器以其强大的功能得到了广泛的应 用,几乎涉及所有重要领域,它能够代替人类深入 很多恶劣环境使用,解决了许多行业难题,其目前 的发展趋势有四个,即全光纤微型化,多参量实时 化,高精度实用化和阵列化、网络化等。随着技术 的进步,光纤传感器必将扩展到更广阔的领域,发 挥更大的作用。作为岩土工程工作者,我们要不断 探索和学习传感器的应用知识,提高工作效率,确保工程质量。(徐寿龙)

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