土木工程监测用光纤F—P位移测量技术的应用

王亮

【摘要】桥梁、大型水坝、核电站、超高层建筑等等大型工程结构和基础设施的使用期间往往可以长达数十年甚至上百年。在使用过程中由于各类因素，如环境荷载作用、腐蚀效应、材料老化等等导致结构产生累积性的损伤，随之而来的抗力衰减，严重时会导致突发事故的发生。光纤传感器因体积小、质量轻而易于携带，且结构简单，对于电磁场有超强的抗干扰能力，同时具备高灵敏度和精度的特性，成为土木界研究的一个新的关注点。本文主要简介了光纤Fabry- Perot位移传感器在土木工程检测中的位移测量技术的应用。

【关键词】土木工程 F-P位移测量技术 光纤传感器 应用

【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）10-0170-02

通过不同参数的光纤传感器检测土木工程结构的状况，是土木工程研究的一大进步。基于F-P原理的光纤位移传感器满足了土木工程的长期检测所要求的精度和稳定性。

一、光纤F- P位移传感器原理及测量系统

光纤F- P位移传感器是由毛细玻璃管做成的传感头外壳和两段多膜内置设备组成。F-P干涉腔由镀上反射镜和半透镜之间的接口形成。环氧树脂被用于固定右边的光纤，以便光信号的传输。左侧的光纤则以强化材料涂覆，并固定不锈钢等刚度较大的材料，以便位移信号的传递。这就是外腔式F-P光纤位移传感器的构成。腔长随着外界位移的作用而发生变化，根据F-P腔导致传输光的光程差产生一定的变化可以测量腔长。当光程差达到传输光半波长的整数倍，就会出现干涉条纹。这类干涉条纹的测量就可以推知腔长的变化，从而测得外界的位移。

二、工程应用中光纤F—P位移测量技术应用

混凝土结构通常处于高湿度和高碱性的状态之下，而光纤传感器若要在这类施工环境之下保持稳定并且持久保持稳定，那在传感器外部需要加上特殊的机械外壳。这样才能在保持传感器原有灵敏性的同时，适应混凝土结构的施工环境，同时能满足混凝土结构的刚度要求。但若是在这种处理之下将光纤传感器直接放置在混凝土结构中进行测量，那在施工过程中造成的冲击和震荡都有可能引起光纤传感器的损坏，不利于光纤传感器的长期有效使用，大大缩短了使用寿命，同时也会影响光纤传感器的测量精确度。因而在安置光纤传感器时，应当考虑施工环境对光纤传感器的影响，避免不必要的损坏，从而更好的监测混凝土结构中的应变数据。

由于不可能在土木结构监测之中的每个传感器位置都放置测量仪表，因而，一般都是将测量仪表固定在某个安全位置，从而对这个土木结构进行统一的测量。在这种状态下，就可以用光缆将多个F-P传感器远距离传输到同一位置。但由于光线传感器是不同层次埋入土木结构之中，因而对于将单芯软光缆引到混凝土结构表面具有一定的难度。虽有聚乙烯的蛇皮软管的保护，但通常这类保护会因混凝土施工的冲击而遭到破坏。

因光纤传感器通常以光波长 作为测量标准，因而具有极高的灵敏度。此外，光纤传感器不受外界的电源、电器噪声、光强波动等一系列因素的影响，因而具有极高的精确度和稳定性。同时由于使用的简易，操作方便，不需要进行特殊的调试，开机就可以使用光纤传感器和测量仪器。这样就能进行混凝土结构的绝对测量。但前提是确保光纤传感器在混凝土结构中的完好无损，能够抵抗因施工引起的冲击和震荡导致的光纤传感器的破损。这就要求在设计之初就应对光纤传感器的埋入点和所受到的力有一个大概的估算，能够将光纤传感器先埋入一个单位混凝土之中，再将其埋入土木结构之中。

光纤F-G传感器的光信息需要通过单芯软光缆引到混凝土结构的表面，因而对单芯软光缆的保护也十分重要。一旦单芯软光缆出现断裂的情况，光纤F-G传感器所接收到的信息也无法顺利传输，测量者也就不能获得传感器的信息。由于单芯软光缆通常又软又脆，极易断裂和破损，因而可以使用与混凝土材质相似的管套套在单芯软光缆之外形成一层保护，从而可以有效削弱混凝土施工引起的冲击和震荡，能够避免单芯软光缆受到损伤。

传统的通信光缆在传输光纤F-P传感器的光信息时，具有极大的传输损耗性。目前所使用的通信光缆一般是符合G.651的多模光纤或者是G.652的单模光纤。这类光纤的传输特性存在三个低损耗窗口，即852nm、1310nm和1550nm这三个波长范围内，其余波长范围内的光纤损耗则较高。光纤F-G传感器所传输的光信号一般是多波长、宽带类型的光信号。并且这类光信号中还还有4%入射光强的反射光，对于传输的损耗要求较高。为了达到光纤F-G传感器对传输损耗的要求，就只能使用单色性较好的激光光源，切将光波长调至光纤的低损耗波长范围内，或者是使用特殊的塑料光纤，以满足光纤F-G传感器的测量要求。

三、结语

光纤传感器因体积小、质量轻而易于携带，且结构简单，对于电磁场有超强的抗干扰能力，同时具备高灵敏度和精度的特性，成为土木界研究的一个新的关注点。通过不同参数的光纤传感器检测土木工程结构的状况，是土木工程研究的一大进步。基于F-P原理的光纤位移传感器满足了土木工程的长期检测所要求的精度和稳定性。光纤F-P传感器作为新兴位移测量技术，可以为土木工程监测提供精确的数据，实现远距离监测，并且能融合信息技术，将其与其他结构监测量构成一个监测体系，以便克服环境恶劣和人不易达到之处的种种不便，为土木工程的监测提供了一条新思路，具有极好的前景。

参考文献

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[2] 顾凯.157nm激光加工光子晶体光纤自载F-P传感器研究[D].武汉理工大学，2011.

[3] 杜彦英.基于相位调制原理的光子晶体光纤温度、应力传感器的技术研究[D].西北大学，2014.