□王樹(shù)奎 □韓桃明 □王先忠

（河南省水利勘測(cè)有限公司）

一、概述

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，它是以光波為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。光纖傳感技術(shù)具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾能力強(qiáng)、電絕緣性能好、耐腐蝕能力強(qiáng)、損耗小、幾何形狀可塑、適應(yīng)能力強(qiáng)、信號(hào)多路傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。

本文介紹了國(guó)內(nèi)外用于樁基監(jiān)測(cè)光纖傳感技術(shù)的分類、優(yōu)點(diǎn)等，重點(diǎn)介紹了低相干涉原理SOFO光纖傳感技術(shù)，Bragg光柵偏振原理FBG光纖傳感技術(shù)，布里淵散射的BOTDR光纖傳感技術(shù)的基本原理、功能及其在樁基監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

二、樁基監(jiān)測(cè)光纖傳感技術(shù)

美國(guó)布朗大學(xué)以Mendez為首的課題組最早提出將光纖傳感技術(shù)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)之后，國(guó)外很多機(jī)構(gòu)研究光纖傳感器在土木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。在樁基監(jiān)測(cè)方面，長(zhǎng)標(biāo)距SOFO光纖傳感技術(shù)，準(zhǔn)分布FBG光纖傳感技術(shù)，分布式BOTDR光纖傳感技術(shù)是研究的重點(diǎn)。下面重點(diǎn)介紹這幾種技術(shù)在樁基監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

（一）長(zhǎng)標(biāo)距SOFO光纖傳感技術(shù)（LONG-GAGE FIBER OPTICSENSORS）

SOFO是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的一種長(zhǎng)標(biāo)距光纖傳感系統(tǒng)。SOFO測(cè)試系統(tǒng)基于低相干干涉原理：LED（發(fā)光二極管）發(fā)射激光光束到標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖，通過(guò)耦合器被分為兩束頻率、偏振方向以及初相位相同的光線，分別進(jìn)入測(cè)量光纖和參考光纖。測(cè)量光纖與待測(cè)結(jié)構(gòu)物理接觸，可以隨結(jié)構(gòu)變形而改變光程長(zhǎng)度，而參考光纖自由安裝在同一管中，用來(lái)補(bǔ)償由溫度變化引起的硅光纖折射率的變化，以消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。兩根光纖的末端有反射鏡，通過(guò)移動(dòng)反射鏡，形成光程差。兩束光相遇發(fā)生干涉，利用這些干涉圖像，推斷出光在測(cè)量光纖中受結(jié)構(gòu)變形影響而發(fā)生的改變，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)變形量。

長(zhǎng)標(biāo)距光纖變形SOFO傳感技術(shù)具有高分辨率(2mm)，高精度(2μm)，長(zhǎng)基距（25cm～10m），優(yōu)越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能等特點(diǎn)。

Tainan樁基監(jiān)測(cè)采用SOFO傳感技術(shù)，通過(guò)在樁基不同斷面布置不同的傳感器，來(lái)測(cè)試樁基在靜載荷試驗(yàn)時(shí)內(nèi)力發(fā)展情況及推導(dǎo)摩阻力的發(fā)揮情況等。圖1顯示Smarteck在Tainan樁基工程中光纖布置、軸力、摩阻力分布情況。

圖1 傳感器布置、軸力分布及摩阻力分布圖

（二）FBG光纖傳感技術(shù)

布喇格光纖光柵（Fiber Bragg Grating，簡(jiǎn)稱FBG）是光纖纖芯折射率受到永久的周期性微擾的一種傳感技術(shù)。它能將入射光中某一特定波長(zhǎng)的光部分或全部反射。該反射光就是布喇格反射光，其關(guān)系式為

式中，λB為布喇格波長(zhǎng)；neff為有效纖芯的折射率；Λ為布喇格傳感器光柵的柵距。

拉伸收縮光纖光柵，或溫度改變可改變光纖光柵柵距和有效折射率從而改變光纖光柵入射波長(zhǎng)。反射波長(zhǎng)和應(yīng)變、溫度、壓力、壓強(qiáng)物理量成線性關(guān)系。

這種傳感技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于可以用一根光纖復(fù)用多個(gè)FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與溫度的準(zhǔn)分布式動(dòng)靜態(tài)測(cè)量。還有一優(yōu)勢(shì)在于FBG傳感器既可以作為傳感元素又可以作為信號(hào)傳輸?shù)妮d體，這為實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)提供了方便。

內(nèi)蒙古多倫縣樁基監(jiān)測(cè)采用FBG傳感技術(shù)，來(lái)監(jiān)測(cè)SZ2和SZ3號(hào)樁，以確定樁身各截面的軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端阻力等規(guī)律，圖2是各級(jí)荷載下的軸力分布圖。

圖2 不同荷載下軸力分布圖

（三）BOTDR光纖傳感技術(shù)

BOTDR布里淵光時(shí)域反射計(jì)是基于布里淵背向散射原理分布式光纖傳感技術(shù)。它將單模標(biāo)準(zhǔn)光纖同時(shí)用于信號(hào)傳輸和傳感。脈沖光以一定的頻率自光纖的一端入射，入射的脈沖光與光纖中的聲學(xué)聲子發(fā)生相互作用后產(chǎn)生布里淵散射，其中的背向布里淵散射光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端，進(jìn)入BOTDR的受光部和信號(hào)處理單元經(jīng)過(guò)處理，得到光纖沿線各個(gè)采樣點(diǎn)的散射光譜。光纖上某個(gè)采樣點(diǎn)的布里淵散射光譜。通過(guò)頻移的變化量與光纖的應(yīng)變之間的線性關(guān)系即

νB（ε，T）=νB（0，T0）+α·ε+β·（T-T0）

其中：νB（ε，T）為任意時(shí)刻（產(chǎn)生應(yīng)變與溫差時(shí)）光纖布里淵背向散射光頻率，νB（0，T）為初始狀態(tài)下光纖布里淵背向散射光頻率，ε為光纖局部產(chǎn)生的應(yīng)變，T0為初始溫度，（T-T0）為溫差，α、β分別為傳感光纖的應(yīng)變系數(shù)與溫度系數(shù)。

周同和在鄭州綠地廣場(chǎng)試樁工程采用了BOTDR分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)了大直徑超長(zhǎng)樁在靜載荷作用下的應(yīng)變分布（見(jiàn)圖3），發(fā)現(xiàn)了局部負(fù)摩阻力的存在并分析了產(chǎn)生負(fù)摩阻力的原因主要是砂土液化、變直徑等。

圖3 最大荷載下樁身應(yīng)變圖

三、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了光纖傳感技術(shù)在樁基監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，著重介紹了目前國(guó)際上運(yùn)用較為廣泛的長(zhǎng)標(biāo)距SOFO光纖傳感技術(shù)、FBG光纖傳感技術(shù)、BOTDR光纖傳感技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。通過(guò)工程實(shí)踐比較，顯示其各自優(yōu)越性。主要有：

長(zhǎng)標(biāo)距光纖變形SOFO傳感技術(shù)具有長(zhǎng)基距、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、高分辨率、高精度、優(yōu)越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能等特點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)橋梁新老拼接方面的差異變形過(guò)程中顯示其很好的優(yōu)越性能。

FBG光纖傳感技術(shù)除具備光纖傳感共性優(yōu)勢(shì)如抗雷電、抗干擾、敏感性好、精度高、安全等特點(diǎn)，其最大優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)?yīng)力和溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)靜態(tài)、準(zhǔn)分布式測(cè)量。在瞬時(shí)荷載作用于結(jié)構(gòu)物時(shí)能夠很好的監(jiān)測(cè)出來(lái)。

BOTDR光纖傳感技術(shù)最大特點(diǎn)在于能對(duì)應(yīng)變實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，這相當(dāng)于給結(jié)構(gòu)體內(nèi)植入神經(jīng)系統(tǒng)，讓整個(gè)結(jié)構(gòu)活起來(lái)。在樁基監(jiān)測(cè)中，顯示其優(yōu)越的分布式測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。

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