光纖傳感技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

1、隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)在人類的生活和各個(gè)領(lǐng)域中得到了 廣泛的應(yīng)用。光纖傳感技術(shù)始于1977年，伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展 起來的，光纖傳感技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家信息化程度的重要標(biāo)志。從杭州物聯(lián)網(wǎng)暨 傳感技術(shù)應(yīng)用論壇了解到，光纖傳感技術(shù)已廣泛用于軍事、國(guó)防、航天航空、工 礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑、家用電器等領(lǐng)域 有著廣闊的市場(chǎng)。世界上已有光纖傳感技術(shù)上百種，諸如溫度、壓力、流量、位 移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射 等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的傳感。光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)

2、參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻 率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過光纖送入光探測(cè) 器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感系統(tǒng)主要由光源、傳感器件、探測(cè)器等 部分組成，光源發(fā)出的光經(jīng)光纖傳輸至傳感元器件；當(dāng)外界環(huán)境因素，如應(yīng)變、 溫度、折射率等物理量發(fā)生變化時(shí)，使得在光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ哪承┨匦?，如?qiáng) 度、波長(zhǎng)、偏振態(tài)等隨外界信號(hào)發(fā)生變化，這個(gè)過程稱為調(diào)制；調(diào)制過的光波信 號(hào)經(jīng)光纖傳輸至探測(cè)器后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在經(jīng)過信號(hào)處理就可以獲取外界環(huán)境的 變量信息，這個(gè)過程稱為解調(diào)；光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制和解調(diào)兩方面的技術(shù)。當(dāng)然在建筑中也有很廣泛的應(yīng)用

3、。比如光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程檢測(cè)中的應(yīng) 用鋼筋混凝土是目前非常廣泛應(yīng)用的材料，將光纖材料直接埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi) 或粘貼在表面，是光纖的主要應(yīng)用形式，可以檢測(cè)熱應(yīng)力和固化、擾度、彎曲以 及應(yīng)力和應(yīng)變等?；炷猎谀虝r(shí)由于水化作用會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)溫度梯度，如 果其冷卻過程不均勻。熱應(yīng)力會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，采用光纖傳感器埋入混凝土可 以監(jiān)測(cè)其內(nèi)部溫度變化，從而控制冷卻速度。混凝土構(gòu)件的長(zhǎng)期撓度和彎曲是人們感興趣的一個(gè)力學(xué)問題，為此已研制出 能測(cè)量結(jié)構(gòu)彎曲和撓度的微彎應(yīng)變光纖傳感器，并用一根光纖連接整個(gè)結(jié)構(gòu)不同 位置上的傳感器進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，每個(gè)傳感器的位置可用OTDR來識(shí)別。光纖傳感 器還能探測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)

4、內(nèi)部損傷。在正常荷載作用下，由于鋼筋阻止干化收縮或 溫度引起的體積變化都會(huì)引起裂縫，裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展可以通過埋入的光纖中光 傳播的強(qiáng)度變化而測(cè)得。光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用，橋梁是一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，橋梁的建 造和維護(hù)是一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要部分。利用光纖傳感器測(cè)量振動(dòng)，主要 可得到橋梁的振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)如頻率、振幅等，其方法是：將信號(hào)光纖粘貼于橋梁 內(nèi)部，它隨著橋梁的振動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，輸出光的相位作周期性的變化，則 光電探測(cè)器接收到的光強(qiáng)也作周期性的變化。成功的案例有：加拿大在1993年將光纖傳感器預(yù)裝到一座碳纖維預(yù)應(yīng)力混 凝土公路橋上，在橋開通后連續(xù)監(jiān)測(cè)了8個(gè)月，測(cè)量了混凝土內(nèi)部的整

5、體分布應(yīng) 變，并用動(dòng)態(tài)規(guī)化理論處理數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確而又快速的評(píng)估了橋梁的使用狀態(tài)及壽命。1996年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)研究中心研制了新墨西哥I -10橋健康檢測(cè)系統(tǒng)，它由 60FBG傳感器組成，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量。光纖傳感技術(shù)在巖土力學(xué)與工程中的應(yīng)用，巖土工程檢測(cè)具有長(zhǎng)時(shí)效性、環(huán) 境復(fù)雜、具有時(shí)空限制、施工環(huán)境制約等特點(diǎn)，其檢測(cè)工作一直是等待解決的難 題。目前已有的常規(guī)的測(cè)試技術(shù)在長(zhǎng)期的工程應(yīng)用中表明，滿足上述測(cè)試要求十 分困難。而由于光纖傳感器體積小、質(zhì)量輕、不導(dǎo)電、反應(yīng)快、抗腐蝕等諸多優(yōu) 良特性，使用它成為巖土力學(xué)工程的檢測(cè)工具成為學(xué)者們的研究對(duì)象。下面列舉 一例成功應(yīng)用光纖傳感器檢測(cè)巖土工程的

6、成功案例：三峽大壩壩前水溫監(jiān)測(cè)，三 峽大壩壩體內(nèi)部靠近上游面埋設(shè)有點(diǎn)式溫度計(jì)，因埋設(shè)點(diǎn)位于壩體內(nèi)，所測(cè)溫度 與實(shí)際庫(kù)水溫度存在一定的差異。為了能更真實(shí)地反映庫(kù)水溫度的變化規(guī)律，長(zhǎng) 江科學(xué)院結(jié)合壩前水溫觀測(cè)的實(shí)際現(xiàn)狀，在左廠14-2壩段布設(shè)1條測(cè)溫垂線， 采取光纖Bargg光柵溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過實(shí)際工程應(yīng)用，光纖Bargg光柵 溫度傳感器測(cè)量水溫，可以滿足水溫監(jiān)測(cè)的要求，且與水銀溫度計(jì)直接測(cè)量水溫 相比，結(jié)果較好。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和各種信息容量的飛速增加，以光纖為傳遞信息主 要媒質(zhì)的光纖通信技術(shù)和以光纖中的導(dǎo)波原理為理論基礎(chǔ)的光纖傳感技術(shù)在人 類過去幾十年的生活和許多其他領(lǐng)域中得到了

7、越來越廣泛的應(yīng)用和重視，吸引了 人們極大的研究興趣。光纖傳感器應(yīng)用于對(duì)磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、 位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。其應(yīng)用范圍十分廣泛， 幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防上所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效 地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題。因此我們可 以說光纖傳感器具有很大的市場(chǎng)需求，不說長(zhǎng)久，至少在未來5年，光纖傳感器 將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。光纖傳感技術(shù)是隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來 的，以光波為信息載體、以光纖為傳輸介質(zhì)或傳感元件，把“傳輸”和“感知” 這兩項(xiàng)技術(shù)合二為一。在過去的幾十年里，光纖傳感器在傳感原理和結(jié)構(gòu)以及器 件的制備工藝等方面得到了不斷的發(fā)展，研制出了許多新的光纖傳感器件。光纖 傳感器相對(duì)于其它一些傳統(tǒng)的如電傳感器等有著自身體積小易于植入、不受電磁 干擾等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前光纖傳感技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要在于光纖傳感器件的研發(fā)及其在 各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)。在眾多的光纖傳感器中，光纖陀螺和光纖光柵傳感器是最 具