光纖監(jiān)測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

光纖監(jiān)測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望本文將基于土木工程的主要特點和對監(jiān)測技術(shù)的基本要求，總結(jié)目前國內(nèi)外光纖監(jiān)測技術(shù)的具體應(yīng)用問題，并在此基礎(chǔ)上提出該技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景。標簽：光纖監(jiān)測技術(shù)；土木工程；傳感器一、前言通常來說，土木工程監(jiān)測技術(shù)是一門相對綜合性很強的技術(shù)，主要包括傳統(tǒng)的大地測量法、傳感器技術(shù)、GPS技術(shù)及外部變形監(jiān)測、雷達技術(shù)和聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)等。我國需要不斷加強高新監(jiān)測儀器的研制，降低我國土木工程監(jiān)測的成本。當前，隨著很多土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大型化和復(fù)雜化發(fā)展，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論和施工工藝都面臨著一系列新的問題。但是由于傳統(tǒng)儀器的局限性，比如安裝困難、監(jiān)測范圍小、長期穩(wěn)定性差、不能及時準確地傳遞給建設(shè)、管理和維修等部門所需要的信息，將逐漸被新的方法和技術(shù)所取代。本文將就光纖技術(shù)在土木工程的安全監(jiān)測高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展狀況做了深入的剖析，并指出存在的主要問題。二、 光纖監(jiān)測技術(shù)的特征和原理光纖檢測技術(shù)是利用外界因素使光在光纖中傳播時引起的光強、相位、偏振態(tài)以及波長（或頻率）等特征參量的變化，從而對外界因素進行監(jiān)測和信號傳輸?shù)募夹g(shù)。高精度、長距離、分布式和長期性是土木工程對它的要求。光纖監(jiān)測傳感系統(tǒng)由光源、接口、光導(dǎo)纖維、光電探測器、光調(diào)制機構(gòu)、信號處理器等部分組成，以光波為信息載體，以光纖為傳輸媒質(zhì)。光纖傳感器的種類很多，按最基本的原理可分為兩類：一類為非本征型傳感器，它的光纖僅起傳輸?shù)淖饔?，對被測信號的感覺是利用其他光學(xué)敏感元件來完成的。另一類為本征型傳感器，它的光纖有傳、感合一的特點，利用外界因素改變光纖中光的特征參量，從而對外界因素進行測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w傳感器.按照測量的空間分布情況，光纖傳感器可以分為點式、準分布式和分布式3種，后兩種傳感器是光纖傳感器所特有的功能，即能夠用1根光纖測量結(jié)構(gòu)上空間多點或者無限多自由度的參數(shù)分布。三、 光纖監(jiān)測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀自1989年Mendez等首先將光纖傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)中進行結(jié)構(gòu)安全檢測以來，美國、日本、英國、德國等國家相繼推動了光纖傳感技術(shù)在水利及土木工程中的應(yīng)用，目前已經(jīng)擴展到大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變和溫度監(jiān)測；大壩、河堤的滲漏監(jiān)測；大壩、河堤、橋梁的混凝土凝固與養(yǎng)護溫度；震區(qū)壩體、道路橋梁的損壞和險情評估；隧道、鐵路、公路的火災(zāi)監(jiān)測和報警；石油、天然氣輸送管道或儲罐泄漏監(jiān)測；深井油壓和溫度測量；深海油壓平臺提升裝置監(jiān)測；碳纖維或鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)中嵌入式張力測量；電磁場或惡劣腐蝕環(huán)境中測量等應(yīng)用中。1、國外應(yīng)用現(xiàn)狀國外在這方面的應(yīng)用比我國要成熟許多，選取若干事例如下：女如ATT-AT和TNN-Infranet在日本橫濱跨徑懸索大橋安裝了MOI監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用了20個光纖傳感器，系統(tǒng)自從安裝以來沒有出現(xiàn)過故障，一直良好地跟蹤監(jiān)測承受六車道與兩列車道重交通和強烈風(fēng)荷載高應(yīng)力作用下大橋的運營狀態(tài)Kronenberg和Glisic等在瑞士和法國邊界一個Emosson發(fā)電站水庫的大壩上安裝了SOFO系統(tǒng)，用它來測量壩體的裂紋和基礎(chǔ)的位移，測試結(jié)果表明光纖傳感器與原來桿式伸長計的結(jié)果非常吻合（如圖1所示，據(jù)MOI公司提供），結(jié)果也比較精確。2002年，德國柏林采用BOTDR傳感器來檢測鹽水管道的滲漏探測，利用遠程系統(tǒng)監(jiān)控，一旦管道出現(xiàn)滲漏，系統(tǒng)就會自動報警和管理。意大利科摩大教堂采用FBG傳感器，來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的沉降量，系統(tǒng)中采用了28個傳感器（16個位移傳感器和12個溫度傳感器），大約用了1.2Km的光纖，自從安裝以后，3a內(nèi)系統(tǒng)都沒有出過故障，采集的數(shù)據(jù)能定期為維護修理提供信息。2002年8月，挪威NorskHydroASA公司在北海挪威海域QsebergEst（東）油田E11C井安裝了由多個光纖溫度和壓力計及一條分布式溫度傳感光纖構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝后，已經(jīng)為日常生產(chǎn)管理提供了大量數(shù)據(jù)，使油田在壽命期內(nèi)的戰(zhàn)略油藏管理成為可能。圖1Emosson大壩監(jiān)測位移曲線圖2、國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)與集成系統(tǒng)，已經(jīng)成功應(yīng)用到勝利油田GB32A海洋平臺、山東濱州黃河公路大橋、南京長江第三大橋、四川峨邊大渡河大橋、黑龍江松花江大橋、奧林匹克游泳中心“水立方”等工程中。其中在南京長江第三大橋深水基礎(chǔ)施工監(jiān)測項目中共布設(shè)了397個光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器，其中溫度測量225個、吊桿14個、主墩護筒87個、試驗樁11個和基樁鋼筋籠60個，取得良好的控制效果（如圖2所示，據(jù)MOI公司提供）。此項目是目前國際上施工控制中布設(shè)光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器最多的橋梁基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了施工監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，用監(jiān)測到的數(shù)據(jù)直接指導(dǎo)施工過程，促進信息化施工的發(fā)展，其應(yīng)用研究成果達到國際先進水平，并取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益，具有重要的推廣應(yīng)用價值。圖2激振過程監(jiān)測結(jié)果四、光纖監(jiān)測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用展望盡管光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)在土木工程中得到應(yīng)用，相對于常規(guī)的傳感器，其起步時間短，在實際工程檢驗時間不長，該技術(shù)在應(yīng)用過程中仍然存在有待進步研究的關(guān)鍵技術(shù)和問題。1、FBG傳感技術(shù)的穩(wěn)定性和耐久性的提高。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術(shù)，溫度傳感器是其中的一項重要研究內(nèi)容。目前FBG傳感技術(shù)相對于常規(guī)的傳感器，應(yīng)用時間短，需要進一步驗證和研究FBG傳感技術(shù)在土木工程應(yīng)用的耐久性和長期穩(wěn)定性。2、傳感器系統(tǒng)的標定、指標、實施等標準和標準化技術(shù)?，F(xiàn)今光纖傳感器產(chǎn)品系列品種繁多，其參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)各個監(jiān)測對象進行定制，沒有統(tǒng)一的標準及技術(shù)規(guī)范，加大了推廣應(yīng)用的技術(shù)難度。有必要建立光纖傳感器的新技術(shù)標準。3、封裝及安裝保護規(guī)程化?，F(xiàn)今的光纖傳感器封裝和安裝保護方式和方法較多，各單位按照各自思路實施，給監(jiān)測數(shù)據(jù)帶來一定的偶然性。對各種封裝和保護工藝制定規(guī)程有利于該項技術(shù)推廣。另外，封裝后的光纖光柵傳感器的傳感機理還需要進一步研究。4、光纖光柵傳感器的優(yōu)化布置方法還有待進一步研究，即如何在大型土木工程結(jié)構(gòu)中以最少的光纖光柵傳感器數(shù)量來獲取盡可能多的對結(jié)構(gòu)狀況準確反應(yīng)的信息。5、光纖傳感解調(diào)設(shè)備價格高?，F(xiàn)今各種類型的光纖傳感解調(diào)設(shè)備價格較高，制約該項技術(shù)在我國推廣應(yīng)用。自主研發(fā)和生產(chǎn)解調(diào)設(shè)備并大幅降低其價位，對光纖傳感推廣應(yīng)用起到很大的推動作用。6、BOTDR是一種新型的分布式光纖傳感技術(shù)，被測光纖長度可達數(shù)十公里。BOTDR技術(shù)具有適用范圍廣、長時效性、分布式、高靈敏度等優(yōu)點，因此目前已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一項重要手段。利用合理線路設(shè)計和鋪設(shè)工藝，BOTDR不僅能用于結(jié)構(gòu)體應(yīng)變的分布式監(jiān)測，還能用于溫度的分布式測量，對于某特定對象的溫度監(jiān)測或預(yù)警系統(tǒng)，可以通過優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，縮短測量時間達到準實時監(jiān)測的水平，應(yīng)用前景十分廣闊。五、結(jié)束語綜上所述，光纖監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為我國土木工程監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，而且可以預(yù)測光纖材料將成為現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測和狀態(tài)控制的首選傳感材料。雖然目前光纖監(jiān)測技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展狀況來看，基礎(chǔ)研究薄弱，而且技術(shù)還不成熟，但是今后仍需繼續(xù)開展光纖傳感器及其監(jiān)測系統(tǒng)的研制開發(fā)和試驗應(yīng)用，從而大力提高它對土木工程建筑物的監(jiān)測能力，使其在土木工程領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。參考文獻：

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