光纤维传感器在土木中的应用

光纤传感器在土木工程中的应用

创新实验专题报告

姓名： 杨 成

学号： 15S033004 班级： 硕士一班 专业： 力 学

光纤传感器在土木工程中的应用

杨成 15S033004 硕士一班

大型土木工程结构和基础设施,如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台以及输油、供水、供气等生命线系统,由于环境荷载作用，在其服役过程中一旦发生灾害，将给人民的生命和财产造成巨大的损失。因此，对重要结构的无损检测与无损评价显得越来越重要。然而，由于土木工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大、使用期限长，传统的传感设备组成的监测系统的稳定性和耐久性都不能很好地满足工程实际的需要。

1989年美国布朗大学的Mendez等人首次提出将光纤传感器埋入混凝土结构中进行安全监测。随后美国、欧洲、日本等国家的一些学者开始将这一高新技术应用于土木工程的研究，并取得了很好的成果。

光纤传感技术之所以适用于土木工程，主要是基于它与传统的电测传感器相比，具有如下的优越性能：耐腐蚀、耐久性好；体积小、重量轻、结构简单，埋入土木工程结构对基体材料几乎没有影响；能避免电磁场的干扰,电绝缘性好；信号可多路传输，便于与计算机连接，易于实现分布式测量；单位长度上信号衰减小，传输距离可以很长；灵敏度与精度高；频带宽；信噪比高等。

1、可用于土木工程检测的三类光纤传感器

用于智能结构的光纤传感器除应满足微型化、高可靠、可连网的要求外，还应考虑其测量的灵敏度和动态范围、光纤和材料的匹配等因素。目前用于智能结构的光纤传感器可分为以下三类。

点式光纤传感器；传感元件自身尺寸比结构构件小得多的光纤传感器，都属于点式光纤传感器，如同测量应变的电阻应变片一样。常用的点式光纤传感器有光纤在线Fabry-peret传感器、绝对测量光纤干涉仪和光纤Bragg光栅传感器。

积分式传感器；积分式传感器是指能测量一定范围内的某一参量积分值(平均值)的传感器。例如，测量某一尺寸范围内光纤光强度衰减值的平均值、应变平均值、温度平均值等。测积分值的空间范围由智能结构的尺寸等因素而定。

分布式光纤传感器；分布式光纤传感器是可以沿空间位置连续绘出某一参量值的传感器,其主要特征参量是空间分辨率和灵敏度。分布式光纤传感器有以下

几种:分布式光纤温度线感器，分布式光纤应力传感器，分布式微弯光纤传感器，分布式Sagnat光纤应力传感器。

2、光纤传感器用于土木工程检测的关键问题

光纤传感系统作为智能结构的神经网络,为人们获知结构内部工作状态信息提供有力工具。须埋在智能结构内的光纤传感器,能感知其内部的基本物理性能,并在结构损伤或临界应力状态时发出报警信息。但使光纤传感器广泛运用于土木工程检测,必须解决以下关键技术问题。

光纤传感器保护材料的选取；光纤传感器保护材料的选取,应考虑到以下因素：保护材料应具有一定的强度,以免在光纤接口部位受到机械磨损；保护材料应能和土木工程结构可靠粘接；选择合适的光纤保护层厚度；使其埋入后不影响结构的应力状态和分布；保护材料应能防止传感系统受环境(如潮湿、酸碱的腐蚀等)浸蚀。

光纤光栅交叉敏感的消除；光纤光栅对于应力、应变、温度等多种参量都具有不同程度的敏感性，即交叉敏感。当它用于多参量传感时，就应解决增敏和去敏问题。即对被测的量要增加其灵敏度，对非测的量要降低其灵敏度。例如，预埋光栅传感器在高层建筑筏板基础的底板上，监测其内部的应力、应变状态，就应对应变量增敏，对温度量去敏。

3、光纤传感器用于土木工程检测的有效实现途径

要实现光纤传感器在土木工程中的应用,核心的内容就是解决好光纤传感器在土木工程结构中埋入(或粘贴)的问题。

埋入(或粘贴)工艺；光纤传感器在土木工程结构中不能任意摆放，必须遵从埋入(或粘贴)的传感器和所要检测的要求与目标一致，如要检测裂缝(裂纹)，光纤传感器必须设置在裂缝发生位置而且不能与裂缝平行，否则不可能探测到裂缝。光纤埋入时，混凝土的捣实、固化等可能会损害光纤传感器，导致埋入光纤传感器的存活率不高。针对上述问题，下面是几种较好的方案:在光纤传感器外套上金属导管，一起埋入混凝土结构中，在混凝土捣实以后，还没有固结以前，将金属导管取出；光纤传感器外包一条与混凝土膨胀系数较一致的金属导管，外

部的荷载通过金属导管传递到光纤传感器上；把光纤传感器粘贴于钢筋上，钢筋的应力、应变也足以反映结构的内部状态；将光纤传感器直接埋入小型预制构件中，然后把小型预制构件作为大型构件的一部分埋入；采用特殊光纤制作传感器，如熊猫光纤、双折射光纤等，提高其适应环境的能力。

光纤传感器在结构内的稳定性和可靠性；一般结构的使用期较长，尤其是重要结构，如桥梁、隧道等一般都在几十年甚至上百年，要求埋入的光纤必须保证其在结构有效期内的稳定与可靠。光纤的主要成分是SiO2，在水泥的强碱作用下易受到腐蚀，因此必须提高光纤保护层的抗腐蚀能力。实验证明，高分子材料涂层能很好地改进光纤的化学耐久力。Es-cobar等人将包层为聚四氟乙烯的干涉型光纤传感器埋入及粘附在混凝土中，经过5年的观察试验，测得的信号未变，说明光纤没有老化，能满足长期工作要求。

【参考文献】

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