光纖光柵傳感技術在軌道變形監(jiān)測中的應用

1、光纖光柵（FBG ）傳感技術在軌道變形監(jiān)測中的應用摘要：近年來，隨著我國城市建設的發(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信息和依據(jù)，也為工 程理論與實踐研究提供寶貴的第一手資料。光纖光柵（FBG）傳感技術具有精度 高、準分布、實時性、耐腐蝕及抗電磁干擾等獨特優(yōu)勢，已在眾多工程監(jiān)測領域 中得到應用。關鍵詞：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，使其產生周期性調制，從而在單模光纖的纖芯 內形成永久性空間相位光柵。FBG的

2、基本原理是當光柵受到拉伸、擠壓及熱變形 時，檢測光柵反射信號的變化。以工程結構的應變監(jiān)測為例，荷載由結構傳遞至 纖芯的光柵區(qū)域，導致光柵區(qū)域內柵距發(fā)生變化，從而使纖芯的折射率隨之變化， 進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構的應變變 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，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、初支拱架內力、應力應變、實時溫度等監(jiān)測 項目。2、FBG光纖傳感系統(tǒng)的應用光纖光柵地面沉降監(jiān)測1）周期測試功能

3、：地質災害監(jiān)測系統(tǒng)的波長解調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）點名測試功能：根據(jù)用戶指定的測試對象或測試區(qū)域，進行快速的定 位測試，并且給出數(shù)據(jù)分析的結果。3）報警監(jiān)測功能：由用戶設置監(jiān)測對象的 被測物理量監(jiān)測控制值，對監(jiān)測對象進行超控制值報警或超變化速率報警，將告 警信息遠程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心或者管理人員。4）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、遠傳與組網(wǎng)監(jiān)測 功能。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，進行快速定位。所有的測量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結果 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)。光纖光柵錨索內力監(jiān)測對

4、預應力錨索、預應力鋼絞線進行應變監(jiān)測，能夠對支護結構的預應力損失 進行直觀的監(jiān)測?；诓ǚ謴陀眉夹g，一根光纖同時串聯(lián)多個傳感器，組成分布式錨索內力監(jiān) 測系統(tǒng)。在應力監(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)絡分析儀中，該分析儀能夠對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、保存和打 印等，這樣監(jiān)測人員就能夠獲取可靠的信息，并且可以采取相應的措施，獲得的 數(shù)據(jù)和測試結果就能通過網(wǎng)絡傳輸，達到遠程監(jiān)控的目的。隧道應變及孔隙水壓力監(jiān)測隧道結構安全監(jiān)測的主要內容就是對圍巖和支護結構之間的相互作用進行監(jiān) 測，通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可以判斷隧道是否穩(wěn)定、是否符合安全標準，因此對監(jiān)測 圍巖和支護之間的相

5、互作用便成為結構安全監(jiān)測中的重中之重。1）采用光纖光柵應力傳感器監(jiān)測應變：光纖光柵表面安裝式應變計安裝在結 構表面，監(jiān)測結構的變形；光纖光柵錨桿應力傳感器安裝在結構固定的螺桿上， 監(jiān)測圍巖與結構之間的相互作用通過有限元分析方法來分析各部位的應變，監(jiān)測 盾構隧道的動態(tài)應變。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，監(jiān)測其地下 水位、孔隙的水壓力、隧道的穩(wěn)定性。隧道應變及孔隙水壓力監(jiān)測主要用到的傳感器有：光纖光柵表面式應力傳感 器、光纖光柵錨桿應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儀等設備連接起來，組成光纖光 柵監(jiān)測系統(tǒng)，利用該監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對各個

6、監(jiān)測點的應變、應力、壓力情況 進行監(jiān)測，從而對隧道結構的質量和穩(wěn)定性等做出評估和預測。光纖光柵測溫防火監(jiān)測電纜表面溫度反映了電纜的運行情況，因此監(jiān)測電纜表面溫度可以及時發(fā)現(xiàn) 和預測電纜異常情況，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)測和安全運行提供科學依據(jù)。1）沿隧道架空高壓電纜，布設感溫光纜，采用捆綁黏合等方式將感溫光纜與 被測高壓電纜緊密結合。2）將感溫光纜與分布式光纖測溫主機相連。3）通過網(wǎng) 絡將各個分布式光纖測溫主機的數(shù)據(jù)上傳至服務器及工作站，工作站將各個主機 的數(shù)據(jù)處理后傳至監(jiān)控中心。3、FBG傳感器的特點光纖傳感監(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、衰減小、 靈敏度高、抗干擾能力強、探測范圍大、跨平臺、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點。集傳感器和傳輸于一體，可較容易對大型基礎工程（隧道、堤防和邊坡等） 實現(xiàn)遠程自動化監(jiān)測。傳感信號是波長調制，測量信號不受光強波動的影響，具有自參考點，測 量的是絕對值。一根光纖上根據(jù)應用要求寫入多個不同Bragg波長的光柵，從光纖一端可 實現(xiàn)所有光柵信號的檢測。分布式光纖傳感技術采用先進的光學技術，探測出光纖沿線所有位置的溫 度、應變及振動的變化，實現(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入光纖，并 具有防水、防潮、耐高溫、抗腐蝕等特點，耐久性更大。體積小、質量小，便于鋪設安裝。將其埋入結構物中或黏貼于結構物表面 具有很好的兼容性，不存在匹配的問題，不會對結構的物理性能造成影響。總之，揚長避短，充分利用傳感器的特點與優(yōu)勢，光纖傳感技術應用前景非 常廣闊。參考文獻：魏廣慶，施斌，胡盛，等.FBG在隧道施工監(jiān)測中的應用及關鍵問題探討J. 巖土工程學報，2009，31（4）： 571-576.楊茜.盾構隧道縱向不均勻沉降及實時監(jiān)測方法研究D.北京交通大學，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