光纤传感监测技术在工程地质领域的应用研究

山东省煤田地质局第二勘探队，山东 济宁 272000

光纤传感监测技术具备非常优异的性能，近年来在多个领域得到了非常广泛的应用和发展，特别是在工程地质领域。工程地质容易受到各种不利因素的影响而降低承载力或者强度，从而使整个工程结构遭受不同程度的破坏，甚至引发其他更为严重的问题，如边坡的失稳、混凝土结构的开裂变形及地基的基础沉降等。再加上我国是世界上地质灾害比较频繁的国家之一，而且灾害的种类多，分布范围广，危害性大，对于地质工程的影响也非常明显。因此，为了使整个工程设施得到安全的使用，需要对工程地质进行全面的安全监测，还需要对灾害后的工程结构稳定性进行准确的评估，包括其剩余的可使用年限，这是目前影响岩土与地质工程发展的一大关键因素，亟待解决。

1 光纤传感监测技术概述

光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经光纤送入调制器，在调制器内通过与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件，经解调器后获得被测参数。

光纤传感监测技术在当代科技领域占有十分重要的地位，且已逐渐广泛应用于各个学科领域。光纤传感监测技术是近几年发展最为迅速的新一代光无源器件，在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着越来越重要的作用。

光纤传感监测技术分为两类：一类为功能型传感监测技术，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用；另一类为非功能型传感监测技术，它的光纤仅起传输的作用。功能型传感监测技术是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。非功能型传感监测技术是利用其他敏感元件感受被测量光信号的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤，光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

2 光纤传感监测技术的优势及应用特点

2.1 光纤传感监测技术的优势

（1）灵敏度更高。与传统监测技术相比，光纤传感监测技术的灵敏度更高。

（2）安装埋设方便。光纤传感监测系统更加轻细柔韧，方便安装及埋设。

（3）电绝缘性能及化学性能更好。光纤的自身特点决定了其是一种绝缘性好及化学性能稳定的材料，因此可以有效应用到高压隔离和易燃易爆等恶劣的环境中，并且具有良好的效果。

（4）安全性更好。光纤传感监测系统的敏感元件属于电无源元件，因此在实际应用中不会出现漏电或者电击等情况，安全隐患很小。

（5）可有效抵抗电磁干扰。通常光波的频率比电磁辐射的频率高很多，因此光信号在光纤内传播的过程中也不会受电磁波的干扰。

（6）可实现分布式监测。一根光纤能够实现远距离的连续监测，且可以精确监测各个位置的应变、损伤、振动及温度等信号变化，从而可以获得更大的监测范围，提高监测工作的效率及质量。

（7）耐久性好且使用年限长。光纤主要由石英玻璃和外层的高分子材料组成，因此与传统金属传感器相比，光纤具有更强的耐久性及更长的使用寿命。

（8）具有更大的传输容量。光纤传感监测系统是用光纤代替了笨重的多芯水下电缆作为母线，不但质量更轻，而且传输容量也更大，可以有效采集各感知点的信号，再通过复用技术来达到分布式监测光纤传感器信号的目的。

2.2 光纤传感监测技术的应用特点

光纤传感监测技术主要应用于岩土和地质工程中，主要可以分为点式光纤传感监测技术、准分布式光纤传感监测技术。点式光纤传感监测技术主要包括迈克尔逊干涉（SOFO）的传感技术和非本征型法的布里珀罗干涉（EFPI）应用传感技术，其主要应用在精度方面，如果是要求较高的结构，则需要进行局部变形监测，但是不能复用。准分布式光纤传感监测技术基于光纤布拉格光栅（FBG）和波分复用（WDM），包括时分复用（TDM）以及空分复用（SDM）等方面的技术，实现多点准分布式传感网络系统的构建。在应用分布式光纤传感监测技术时，主要是应用瑞利散射光时域分析（OTDR）以及自发布里渊光时域散射分析（BOTDR），包括受激布里渊光时域散射分析（BOTDA）、拉曼光时域反射分析（ROTD）等，而分布式光纤传感系统主要是依照沿线光波分布参量进行分析的。与此同时，光纤传感监测技术还能够获取传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息情况，实现长距离、大范围的长期连续传感。

3 光纤传感监测技术在工程地质领域的应用

混合筋混凝土属于一种结构材料，其主要的应用形式是将纤维材料中所具备的光纤材料放置在混凝土结构中或应用在表面的浆料上，这样能够对裂缝宽度进行监测，实现混凝土结构的热应变。基于光纤光栅传感器的索力监测装置如图1所示。对温度、振动参数进行调节，可实现结构内部的应变，还能够加强结构的整体性应用。

图1 基于光纤光栅传感器的索力监测装置

光纤传感监测技术在接收信号后能够确定缺陷位置，还能够实现应力的集中以及实际的应变，从而确定缺陷位置的大小和分布情况。对于光纤传感监测技术而言，其主要的特征是根据光纤传感监测技术的光学变化，在不使用电的情况下，可以作为敏感信息的载体，并且一般的光纤表面都是不用作金属线的。一般的传感信息介质都有着比较大的直径，而其也比较灵活，体积小，具有较高的灵敏度，能够实现快速响应。另外，应用光纤传感监测技术还能够开展应力监测，实现结构内部应变。

根据传感机理可以将应力监测分为以下三种情况：

（1）根据光纤整体的微损耗应变情况进行应力监测。这种监测方法主要是通过相应的辅助变形装置实现结构内部应变，能够将应力传递到光纤中，通过光纤输出的光强度变化反映结构应变以及应力变化。

（2）根据双折射光纤中产生的内侧两次偏振光方面的应变进行干涉，以此进行应力监测。部分专业人士加强了建筑结构中光纤沿与压力相平行方面的运用，并对埋进双折射的光纤进行了研究，其具备较高的灵敏度。

（3）根据两根光纤不同的输出光之间产生的干涉进行应力监测。

4 结束语

综上所述，岩土工程属于工程建设中比较基础的一项施工工程，其施工质量与整个工程项目所具备的安全性、稳定性、耐久性、适应性等都有着直接的关系，也会对整个工程项目的质量造成影响。随着光纤传感监测技术的不断发展，其已逐渐应用到了岩土工程建设施工监测中，不仅能使整体监测工作变得更加方便快捷，还能够对岩土工程施工现场相关的环境及其他数据情况进行监测，有效提高整个岩土工程的施工质量。光纤传感监测技术具备良好的传感性能与传导性能，可以应用于远超过人所能够承受的生理范围，能够在人类无法到达的环境中获取更多的信息。未来光纤传感监测技术定会凭借优异的性能得到更加广泛的应用和快速的发展。