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

光纖監(jiān)測(cè)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(diǎn)和對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本要求，總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用問(wèn)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(biāo)簽：光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)；土木工程；傳感器一、前言通常來(lái)說(shuō)，土木工程監(jiān)測(cè)技術(shù)是一門(mén)相對(duì)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，主要包括傳統(tǒng)的大地測(cè)量法、傳感器技術(shù)、GPS技術(shù)及外部變形監(jiān)測(cè)、雷達(dá)技術(shù)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)等。我國(guó)需要不斷加強(qiáng)高新監(jiān)測(cè)儀器的研制，降低我國(guó)土木工程監(jiān)測(cè)的成本。當(dāng)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(jì)理論和施工工藝都面臨著一系列新的問(wèn)題。但是由于傳統(tǒng)儀器的局限性，比如安裝困難、監(jiān)測(cè)范圍小、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差、不能及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞給建設(shè)、管理和維修等部門(mén)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(cè)高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r做了深入的剖析，并指出存在的主要問(wèn)題。二、 光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的特征和原理光纖檢測(cè)技術(shù)是利用外界因素使光在光纖中傳播時(shí)引起的光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)以及波長(zhǎng)（或頻率）等特征參量的變化，從而對(duì)外界因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)。高精度、長(zhǎng)距離、分布式和長(zhǎng)期性是土木工程對(duì)它的要求。光纖監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)由光源、接口、光導(dǎo)纖維、光電探測(cè)器、光調(diào)制機(jī)構(gòu)、信號(hào)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?，?duì)被測(cè)信號(hào)的感覺(jué)是利用其他光學(xué)敏感元件來(lái)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(diǎn)，利用外界因素改變光纖中光的特征參量，從而對(duì)外界因素進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w傳感器.按照測(cè)量的空間分布情況，光纖傳感器可以分為點(diǎn)式、準(zhǔn)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(cè)量結(jié)構(gòu)上空間多點(diǎn)或者無(wú)限多自由度的參數(shù)分布。三、 光纖監(jiān)測(cè)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(jìn)行結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)以來(lái)，美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家相繼推動(dòng)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(kuò)展到大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)；大壩、河堤的滲漏監(jiān)測(cè)；大壩、河堤、橋梁的混凝土凝固與養(yǎng)護(hù)溫度；震區(qū)壩體、道路橋梁的損壞和險(xiǎn)情評(píng)估；隧道、鐵路、公路的火災(zāi)監(jiān)測(cè)和報(bào)警；石油、天然氣輸送管道或儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)；深井油壓和溫度測(cè)量；深海油壓平臺(tái)提升裝置監(jiān)測(cè)；碳纖維或鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)中嵌入式張力測(cè)量；電磁場(chǎng)或惡劣腐蝕環(huán)境中測(cè)量等應(yīng)用中。1、國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀國(guó)外在這方面的應(yīng)用比我國(guó)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(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用了20個(gè)光纖傳感器，系統(tǒng)自從安裝以來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)故障，一直良好地跟蹤監(jiān)測(cè)承受六車(chē)道與兩列車(chē)道重交通和強(qiáng)烈風(fēng)荷載高應(yīng)力作用下大橋的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)Kronenberg和Glisic等在瑞士和法國(guó)邊界一個(gè)Emosson發(fā)電站水庫(kù)的大壩上安裝了SOFO系統(tǒng)，用它來(lái)測(cè)量壩體的裂紋和基礎(chǔ)的位移，測(cè)試結(jié)果表明光纖傳感器與原來(lái)?xiàng)U式伸長(zhǎng)計(jì)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(guó)柏林采用BOTDR傳感器來(lái)檢測(cè)鹽水管道的滲漏探測(cè)，利用遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控，一旦管道出現(xiàn)滲漏，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警和管理。意大利科摩大教堂采用FBG傳感器，來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的沉降量，系統(tǒng)中采用了28個(gè)傳感器（16個(gè)位移傳感器和12個(gè)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(méi)有出過(guò)故障，采集的數(shù)據(jù)能定期為維護(hù)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(gè)光纖溫度和壓力計(jì)及一條分布式溫度傳感光纖構(gòu)成的監(jiān)測(cè)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(cè)位移曲線圖2、國(guó)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(cè)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(tái)、山東濱州黃河公路大橋、南京長(zhǎng)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(zhǎng)江第三大橋深水基礎(chǔ)施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中共布設(shè)了397個(gè)光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器，其中溫度測(cè)量225個(gè)、吊桿14個(gè)、主墩護(hù)筒87個(gè)、試驗(yàn)樁11個(gè)和基樁鋼筋籠60個(gè)，取得良好的控制效果（如圖2所示，據(jù)MOI公司提供）。此項(xiàng)目是目前國(guó)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(kāi)發(fā)了施工監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，用監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)直接指導(dǎo)施工過(guò)程，促進(jìn)信息化施工的發(fā)展，其應(yīng)用研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。圖2激振過(guò)程監(jiān)測(cè)結(jié)果四、光纖監(jiān)測(cè)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(duì)于常規(guī)的傳感器，其起步時(shí)間短，在實(shí)際工程檢驗(yàn)時(shí)間不長(zhǎng)，該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中仍然存在有待進(jìn)步研究的關(guān)鍵技術(shù)和問(wèn)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(lái)的一種以光為載體、光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號(hào)的新型傳感技術(shù)，溫度傳感器是其中的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。目前FBG傳感技術(shù)相對(duì)于常規(guī)的傳感器，應(yīng)用時(shí)間短，需要進(jìn)一步驗(yàn)證和研究FBG傳感技術(shù)在土木工程應(yīng)用的耐久性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。2、傳感器系統(tǒng)的標(biāo)定、指標(biāo)、實(shí)施等標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。現(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(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行定制，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。3、封裝及安裝保護(hù)規(guī)程化。現(xiàn)今的光纖傳感器封裝和安裝保護(hù)方式和方法較多，各單位按照各自思路實(shí)施，給監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)帶來(lái)一定的偶然性。對(duì)各種封裝和保護(hù)工藝制定規(guī)程有利于該項(xiàng)技術(shù)推廣。另外，封裝后的光纖光柵傳感器的傳感機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。4、光纖光柵傳感器的優(yōu)化布置方法還有待進(jìn)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(lái)獲取盡可能多的對(duì)結(jié)構(gòu)狀況準(zhǔn)確反應(yīng)的信息。5、光纖傳感解調(diào)設(shè)備價(jià)格高?，F(xiàn)今各種類型的光纖傳感解調(diào)設(shè)備價(jià)格較高，制約該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)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(jià)位，對(duì)光纖傳感推廣應(yīng)用起到很大的推動(dòng)作用。6、BOTDR是一種新型的分布式光纖傳感技術(shù)，被測(cè)光纖長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十公里。BOTDR技術(shù)具有適用范圍廣、長(zhǎng)時(shí)效性、分布式、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，因此目前已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要手段。利用合理線路設(shè)計(jì)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(cè)，還能用于溫度的分布式測(cè)量，對(duì)于某特定對(duì)象的溫度監(jiān)測(cè)或預(yù)警系統(tǒng)，可以通過(guò)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，縮短測(cè)量時(shí)間達(dá)到準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水平，應(yīng)用前景十分廣闊。五、結(jié)束語(yǔ)綜上所述，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)土木工程監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，而且可以預(yù)測(cè)光纖材料將成為現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)和狀態(tài)控制的首選傳感材料。雖然目前光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r來(lái)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(kāi)展光纖傳感器及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)應(yīng)用，從而大力提高它對(duì)土木工程建筑物的監(jiān)測(cè)能力，使其在土木工程領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：

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