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光纖傳感器在巖土工程中的應(yīng)用
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/9/28

  摘要:光纖傳感器作為傳感器家族的后起之秀,甕借其優(yōu)異的性能近年來在很多領(lǐng)城獲得了廣泛應(yīng)用和快速 發(fā)展。文章介紹了光纖傳感器的工作原理,并以巖土測4和邊坡支護為例介紹了光纖傳感器在巖土工程中的 應(yīng)用,并對光纖傳感器的發(fā)展趨勢進行了簡單分析。

  關(guān)鍵詞:光纖傳感器;巖土工程;巖土監(jiān)測;隧道監(jiān)刻

  1 光纖傳感器的工作原理

  在信息時代,各領(lǐng)域?qū)π畔⒌臏蚀_度和可靠性 提出了更高的要求,被稱為“電五官”的光纖傳感 器在獲取信息方面發(fā)揮了重要作用。光纖傳感技術(shù) 是20世紀70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā) 展起來的,以光波為載體,光纖為媒介,感知和傳 輸外界被測量信號的新型傳感技術(shù)。隨著技術(shù)的進 步,傳感器不斷向智能化和精確化的方向發(fā)展,光 纖傳感器正是其發(fā)展成果之一。光纖具有良好的物 理和化學(xué)特性,并具備出色的傳感和傳導(dǎo)性能,還 能超越人的生理承受范圍.到達人無法到達的環(huán)境 獲取人的感官不能獲取的信息,光纖傳感器作為傳感器家族的后起之秀,憑借其優(yōu)異的性能近年來在 很多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。

  如圖1所示,光纖由高折射率的纖芯和包層兩部 分組成,纖芯的折射率大于包層的折射率,包層直徑 大致為0.1~0.2mm,光線通過端面透入纖芯,在與包 層的交界面處發(fā)生光線的完全內(nèi)反射,光線反射至纖 芯層,經(jīng)過不斷反射,光線沿著纖芯向前傳播。


  光纖傳感系統(tǒng)由光源、光導(dǎo)纖維、光傳感元件,光調(diào)制元件和信號處理五部分組成,其工作原理如圖2所示。光源發(fā)出的光經(jīng)過光導(dǎo)纖維進入光 傳感元件,而在光傳感元件中受到周圍環(huán)境場的彩 響而發(fā)生變化的光再進入光調(diào)制機構(gòu),由其將傳感 元件測量的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、偏振等信息, 最后利用微處理器進行信號分析。


  2 光纖傳感器與巖土監(jiān)測需要的契合

  隨著社會的進步,巖土工程的難度加大,對技 術(shù)的要求也越來越高。巖土工程具有不確定性,同 時由于設(shè)計的復(fù)雜性,項目目標往往很難達成。為 了盡可能地控制好施工過程,必須充分掌握和利用 各種信息,因此我們積極提倡信息化施工。光纖具 有很多優(yōu)異的性能,例如:抗電磁千擾和原子輻射 的性能,徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能;絕緣、 無感應(yīng)的電氣性能;酎水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué) 性能等I它能夠在人達不到的地方,起到人的耳目 作用,而且還能超越人的生理界限,接收人的感官 所感受不到的外界信息。光纖傳感器因其具有不受 電磁干擾,信息量大,體積小,重量輕,抗輻射和 防潮能力強,靈敏度髙,易于與計算機應(yīng)用相結(jié)合 等眾多優(yōu)點,成為巖土工程檢測的重要手段。在巖土工程中,通過光纖傳感器檢測技術(shù)可以對施工中 出現(xiàn)的問題進行及時分析,通過獲得的準確數(shù)據(jù)對 設(shè)計方案進行調(diào)整,使效益最大化,能夠?qū)崿F(xiàn)對大型建筑物的在線實時監(jiān)測,在防止安全事故方面具 有重要意義。

  3 光纖傳感器在巖土測量中的應(yīng)用

  巖土工程主要包括巖土測量、基坑支護、邊坡 支護、地下硐室、地基處理和樁基礎(chǔ)等內(nèi)容。本文 以巖土測量和邊坡支護為例探討光纖傳感器在巖土 工程中的應(yīng)用。

  3.1光纖傳感器在隧道監(jiān)測中的應(yīng)用

  光纖傳感器在隧道上應(yīng)用比較成熟,例如武漢 的天興洲大橋上有成百上千個光纖傳感測點,時時 監(jiān)控橋梁的結(jié)構(gòu)、受力和振動等情況,一旦發(fā)現(xiàn)異 常,管理機構(gòu)就能立即采取措施。以某湖底隧道為 例,施工地質(zhì)條件不理想,難度大,尤其是湖區(qū)沙 層分布廣泛,厚度大,對隧道結(jié)構(gòu)采用了分布式 BOTDR光纖檢測系統(tǒng),沿隧道軸向敷設(shè)4根光纖, 其中兩根全面接著(監(jiān)測隧道整體變形),兩根定 點接著(監(jiān)測變形縫和潛在變形處的變形情況)。 通過采用光纖傳感器對隧道進行監(jiān)測,實時監(jiān)測隧 道變形情況,能夠獲得可靠的數(shù)據(jù),可分析出正確 結(jié)果,反映隧道實際受力情況,起到隧道的健康監(jiān) 測、預(yù)防保護作用;能夠體現(xiàn)出光纖光柵傳感器的強大優(yōu)勢,保證了施工的順利進行,提升了施工質(zhì)量。光纖傳感器在橋梁隧道監(jiān)測方面的應(yīng)用主要有 以下三個方面:對采用新型復(fù)合材料的橋梁結(jié)構(gòu)進 行監(jiān)測,掌握材料和結(jié)構(gòu)的工作性能;對交通樞紐或具有重大意義的大型橋梁進行健康監(jiān)測,掌握橋 梁的正常運行狀態(tài);對有一定損傷的舊橋進行監(jiān) 測,從而了解其健康狀況并采取針對性的維護和加固措施。如圖3所示:


  3.2光纖傳感器在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

  邊坡一般地形地貌復(fù)雜,容易受地震、降雨等 因素的影響,坡體易發(fā)生變形,容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi) 害,對其長期監(jiān)測是非常必要的。光纖傳感器的引 入能夠?qū)崿F(xiàn)對易滑坡區(qū)段的實時監(jiān)測,及時發(fā)出警 報,為邊坡加固和維持穩(wěn)定提供依據(jù)。以某工程為 例,其所處地區(qū)地形地貌復(fù)雜,降水量大,地下水 位較高,巖土風化嚴重。公路邊坡長51米,高10 米,坡角35°。為了對邊坡進行長期穩(wěn)定監(jiān)測,該 現(xiàn)場安裝了近百個光纖傳感器,組成了一個監(jiān)測和 預(yù)警系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)主要包括以下幾個部 分:FBG監(jiān)測抗滑樁、FBG測斜儀、FBG監(jiān)測土釘、 多通道擴展模塊、光纖光柵解調(diào)儀和數(shù)據(jù)采集計算 機,數(shù)據(jù)處理計算機。

  為了監(jiān)測土釘?shù)氖芰顟B(tài),特選取一根14米的 土釘將若干個光纖光柵應(yīng)變傳感器布設(shè)在鋼筋上下 表面上,還布設(shè)了10個光纖光柵溫度傳感器進行溫 度補償,利用土釘應(yīng)變數(shù)據(jù)來計算土釘?shù)妮S力和彎 矩沿土釘長度的分布曲線。此外,選取了兩根抗滑樁,在每根H型鋼的兩翼緣板上布設(shè)了 18個光纖光 柵應(yīng)變傳感器和9個光纖光柵溫度傳感器,并沿樁 長用PVC線槽保護傳輸光纖。根據(jù)光纖檢測資料, '可以判斷坡體下滑力和抗滑力的變化情況。最后, 基于網(wǎng)絡(luò)和基于Labview平臺的采集和數(shù)據(jù)處理軟 件,利用計算機對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,得出邊坡坡 表變形和抗滑樁的整體健康狀況。

  我國地域廣大,地形復(fù)雜,泥石流和山體滑坡 是常見地質(zhì)災(zāi)害,加之人為因素的影響,使得坡體 滑坡事故多發(fā),因此邊坡穩(wěn)定的檢測非常必要。光 纖傳感器在邊坡支護中的應(yīng)用技術(shù)有待于進一步開發(fā)和研究,以發(fā)揮更大作用。

  4 結(jié) 語

  光纖傳感器以其強大的功能得到了廣泛的應(yīng) 用,幾乎涉及所有重要領(lǐng)域,它能夠代替人類深入 很多惡劣環(huán)境使用,解決了許多行業(yè)難題,其目前 的發(fā)展趨勢有四個,即全光纖微型化,多參量實時 化,高精度實用化和陣列化、網(wǎng)絡(luò)化等。隨著技術(shù) 的進步,光纖傳感器必將擴展到更廣闊的領(lǐng)域,發(fā) 揮更大的作用。作為巖土工程工作者,我們要不斷 探索和學(xué)習傳感器的應(yīng)用知識,提高工作效率,確保工程質(zhì)量。(徐壽龍)

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