光纖光柵傳感技術(shù)在軌道變形監(jiān)測中的應(yīng)用

1、光纖光柵（FBG ）傳感技術(shù)在軌道變形監(jiān)測中的應(yīng)用摘要：近年來，隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展，許多大城市開始修建地鐵。變形監(jiān) 測已成為地鐵工程的重要環(huán)節(jié)，它不僅為安全施工提供相關(guān)信息和依據(jù)，也為工 程理論與實(shí)踐研究提供寶貴的第一手資料。光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)具有精度 高、準(zhǔn)分布、實(shí)時性、耐腐蝕及抗電磁干擾等獨(dú)特優(yōu)勢，已在眾多工程監(jiān)測領(lǐng)域 中得到應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光纖光柵（FBG）；軌道變形監(jiān)測；FBG傳感器1、FBG傳感原理光纖Bragg光柵是利用紫外光曝光的方法將入射光的相干場圖形寫入纖芯， 使纖芯的折射率發(fā)生周期性變化，使其產(chǎn)生周期性調(diào)制，從而在單模光纖的纖芯 內(nèi)形成永久性空間相位光柵。FBG的

2、基本原理是當(dāng)光柵受到拉伸、擠壓及熱變形 時，檢測光柵反射信號的變化。以工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測為例，荷載由結(jié)構(gòu)傳遞至 纖芯的光柵區(qū)域，導(dǎo)致光柵區(qū)域內(nèi)柵距發(fā)生變化，從而使纖芯的折射率隨之變化， 進(jìn)而引起反射波長的變化，通過測量反射波長的變化便可得出被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變 化。FBG是一種在由光纖刻制而成的波長選擇反射器，其背向反射光中心波長入B 與纖芯的有效折射率neff和刻制的柵距（周長）A有關(guān)，即根據(jù)光纖光柵傳感器原理（圖1）可知，該傳感器在變形監(jiān)測中可以測試地 基沉降、地面沉降、高層建筑沉降、初支拱架內(nèi)力、應(yīng)力應(yīng)變、實(shí)時溫度等監(jiān)測 項(xiàng)目。2、FBG光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用光纖光柵地面沉降監(jiān)測1）周期測試功能

3、：地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的波長解調(diào)與分析模塊以用戶指定的測 試周期連續(xù)不斷地對監(jiān)測對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，并且建立測量數(shù)據(jù)的歷時數(shù) 據(jù)庫。2）點(diǎn)名測試功能：根據(jù)用戶指定的測試對象或測試區(qū)域，進(jìn)行快速的定 位測試，并且給出數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。3）報警監(jiān)測功能：由用戶設(shè)置監(jiān)測對象的 被測物理量監(jiān)測控制值，對監(jiān)測對象進(jìn)行超控制值報警或超變化速率報警，將告 警信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心或者管理人員。4）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)傳與組網(wǎng)監(jiān)測 功能。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)行快速定位。所有的測量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果 都通過數(shù)據(jù)通信模塊傳輸?shù)奖O(jiān)測中心或管理人員。因此監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需 要來組建區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)。光纖光柵錨索內(nèi)力監(jiān)測對

4、預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測，能夠?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失 進(jìn)行直觀的監(jiān)測?；诓ǚ謴?fù)用技術(shù)，一根光纖同時串聯(lián)多個傳感器，組成分布式錨索內(nèi)力監(jiān) 測系統(tǒng)。在應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)中，光纖光柵傳感器串聯(lián)，統(tǒng)一就近接入到控制中心的 光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀中，該分析儀能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析、保存和打 印等，這樣監(jiān)測人員就能夠獲取可靠的信息，并且可以采取相應(yīng)的措施，獲得的 數(shù)據(jù)和測試結(jié)果就能通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。隧道應(yīng)變及孔隙水壓力監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的主要內(nèi)容就是對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用進(jìn)行監(jiān) 測，通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可以判斷隧道是否穩(wěn)定、是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)，因此對監(jiān)測 圍巖和支護(hù)之間的相

5、互作用便成為結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中的重中之重。1）采用光纖光柵應(yīng)力傳感器監(jiān)測應(yīng)變：光纖光柵表面安裝式應(yīng)變計安裝在結(jié) 構(gòu)表面，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的變形；光纖光柵錨桿應(yīng)力傳感器安裝在結(jié)構(gòu)固定的螺桿上， 監(jiān)測圍巖與結(jié)構(gòu)之間的相互作用通過有限元分析方法來分析各部位的應(yīng)變，監(jiān)測 盾構(gòu)隧道的動態(tài)應(yīng)變。2）采用光纖光柵滲壓計監(jiān)測圍巖的水壓：安裝在隧道的鉆孔內(nèi)，監(jiān)測其地下 水位、孔隙的水壓力、隧道的穩(wěn)定性。隧道應(yīng)變及孔隙水壓力監(jiān)測主要用到的傳感器有：光纖光柵表面式應(yīng)力傳感 器、光纖光柵錨桿應(yīng)力傳感器以及光纖光柵滲壓計。各個光纖光柵傳感器通過光纖與地面的解調(diào)儀等設(shè)備連接起來，組成光纖光 柵監(jiān)測系統(tǒng)，利用該監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對各個

6、監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力、壓力情況 進(jìn)行監(jiān)測，從而對隧道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和穩(wěn)定性等做出評估和預(yù)測。光纖光柵測溫防火監(jiān)測電纜表面溫度反映了電纜的運(yùn)行情況，因此監(jiān)測電纜表面溫度可以及時發(fā)現(xiàn) 和預(yù)測電纜異常情況，及時采取措施，避免事故發(fā)生。光纖測溫防火監(jiān)測可為電 纜溫度監(jiān)測和安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。1）沿隧道架空高壓電纜，布設(shè)感溫光纜，采用捆綁黏合等方式將感溫光纜與 被測高壓電纜緊密結(jié)合。2）將感溫光纜與分布式光纖測溫主機(jī)相連。3）通過網(wǎng) 絡(luò)將各個分布式光纖測溫主機(jī)的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器及工作站，工作站將各個主機(jī) 的數(shù)據(jù)處理后傳至監(jiān)控中心。3、FBG傳感器的特點(diǎn)光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電子監(jiān)測系統(tǒng)相比較，具有傳輸距離

7、遠(yuǎn)、衰減小、 靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、探測范圍大、跨平臺、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)。集傳感器和傳輸于一體，可較容易對大型基礎(chǔ)工程（隧道、堤防和邊坡等） 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測。傳感信號是波長調(diào)制，測量信號不受光強(qiáng)波動的影響，具有自參考點(diǎn)，測 量的是絕對值。一根光纖上根據(jù)應(yīng)用要求寫入多個不同Bragg波長的光柵，從光纖一端可 實(shí)現(xiàn)所有光柵信號的檢測。分布式光纖傳感技術(shù)采用先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)，探測出光纖沿線所有位置的溫 度、應(yīng)變及振動的變化，實(shí)現(xiàn)真正的分布式測量。FBG傳感器是非金屬、絕緣材料，并采用光信號作為載體，具有很高的傳 感精度，還能夠抗電磁干擾、防雷擊。此外，外界光的干擾也很難進(jìn)入光纖，并 具有防水、防潮、耐高溫、抗腐蝕等特點(diǎn)，耐久性更大。體積小、質(zhì)量小，便于鋪設(shè)安裝。將其埋入結(jié)構(gòu)物中或黏貼于結(jié)構(gòu)物表面 具有很好的兼容性，不存在匹配的問題，不會對結(jié)構(gòu)的物理性能造成影響?？傊?，揚(yáng)長避短，充分利用傳感器的特點(diǎn)與優(yōu)勢，光纖傳感技術(shù)應(yīng)用前景非 常廣闊。參考文獻(xiàn)：魏廣慶，施斌，胡盛，等.FBG在隧道施工監(jiān)測中的應(yīng)用及關(guān)鍵問題探討J. 巖土工程學(xué)報，2009，31（4）： 571-576.楊茜.盾構(gòu)隧道縱向不均勻沉降及實(shí)時監(jiān)測方法研究D.北京交通大學(xué)，2013.胡明耀，李川，代云洪，等.水杯式光纖Bragg光柵沉降儀的研究J.光