光纤光栅测试技术在桩基检测中的应用共20页文档

光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用姓名：朱少波学号：U201115536班级：电气中英1101班2015年1月23日星期五摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成为诸多领域的前沿研究与应用方向。

本文主要介绍了相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。

主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。

最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。

关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测1.引言重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。

因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。

结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。

然而，重大桥梁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，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。

随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。

光纤通信技术和光纤传感技术在20世纪后半叶至21世纪初期的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。

光纤光栅的工作原理和应用1. 光纤光栅的简介光纤光栅是一种应用于光纤传感领域的重要器件，它利用光纤中特殊结构的光栅来实现对光信号的调制和传感。

光纤光栅通过改变光纤中的折射率或光栅的周期来实现对光信号的调制，从而实现光纤传感的功能。

光纤光栅具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，在许多领域有着广泛的应用。

2. 光纤光栅的工作原理光纤光栅的工作原理基于光栅的衍射效应和光纤中的模式耦合效应。

2.1 光栅的衍射效应光纤光栅中的光栅是由周期性变化的折射率组成的。

当光信号经过光栅时，会发生衍射现象。

根据光栅的周期，光信号将按照一定的规律分散成多个衍射光束。

通过控制光栅的周期，可以实现对光信号的调制。

2.2 光纤中的模式耦合效应在光纤中，光信号可以以不同的模式传播，例如基模和高阶模。

当光信号经过光栅时，不同模式的光信号会发生模式耦合现象。

通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对不同模式光信号的调制和耦合。

3. 光纤光栅的应用光纤光栅在光纤传感、光通信和光子器件等领域有着广泛的应用。

3.1 光纤传感光纤光栅作为一种重要的传感器器件，可以实现对温度、压力、应变等物理量的测量。

通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对光信号的调制，从而实现对物理量的传感。

光纤光栅传感器具有高灵敏度、远程测量和抗干扰能力强等优点，在工程领域有着广泛的应用。

3.2 光通信光纤光栅在光通信领域有着重要的应用。

通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对光信号的调制和耦合。

利用光纤光栅可以实现光信号的分波、波长选择、增益均衡等功能，从而提高光通信系统的性能和可靠性。

3.3 光子器件光纤光栅作为一种重要的光子器件，可以实现对光信号的调制和控制。

通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对光信号的调制和滤波功能。

光纤光栅滤波器、光纤光栅耦合器等器件在光子器件领域有着广泛的应用。

4. 总结光纤光栅作为一种重要的光纤传感器器件，具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，在光纤传感、光通信和光子器件等领域有着广泛的应用。

基于光纤光栅的基坑施工监测施工工法基于光纤光栅的基坑施工监测施工工法一、前言基坑施工是建筑工程中的常见作业，然而，基坑施工往往伴随着地面沉降、水位变化等问题，给周边环境和结构安全带来一定风险。

为了提高基坑施工的安全性和监测效果，基于光纤光栅的基坑施工监测施工工法被广泛采用。

本文将对该工法的特点、适应范围、工艺原理、施工工艺、劳动组织、机具设备、质量控制、安全措施、经济技术分析以及工程实例进行详细介绍。

二、工法特点基于光纤光栅的基坑施工监测施工工法具有以下特点：① 可实时监测基坑周边地面沉降变形、水位变化、土体应力变化等情况，提前发现安全隐患；② 数据精度高、反应时间快，能够准确判断基坑施工过程中的变化；③ 采用光纤光栅监测技术，无需人工上下孔进行监测，避免了传统监测方式中的隐患和人力成本；④ 施工过程可重复利用光纤光栅，提高了经济效益和施工效率。

三、适应范围基于光纤光栅的基坑施工监测施工工法适用于各类基坑开挖施工，尤其是对于土质条件复杂、地下水位高、周边结构敏感的基坑施工更为适用。

例如高层建筑、地铁站等需要严格控制基坑施工变形和水位变化的工程。

四、工艺原理基于光纤光栅的基坑施工监测施工工法通过光纤光栅监测系统来实现监测作用。

光纤光栅是一种通过受力后变化光纤的折射率而使光的特性改变的技术。

当光纤光栅受到基坑变形或水位变化的影响时，光纤的折射率将发生变化，进而影响光的传播速度和强度。

通过对光纤光栅的监测可获取基坑变形、水位变化等信息，从而进行施工监测。

五、施工工艺基于光纤光栅的基坑施工监测施工工法的具体施工过程包括：基坑开挖前的准备工作、光纤光栅布置和安装、施工过程中的监测和数据分析等。

在基坑开挖前，需要进行基坑侧壁的加固和围护结构的搭设。

然后，将光纤光栅布设在基坑侧壁和周边结构上，并与监测系统相连。

在施工过程中，实时监测光纤光栅的变化，并对数据进行分析。

根据监测结果，及时采取措施，保证施工的安全性和稳定性。

光纤光栅传感器原理及应用（武汉理工大学）1光纤光栅传感原理光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。

光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。

光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。

FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。

图1 FBG 结构及其波长选择原理图在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。

（1）光纤光栅应变传感原理光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。

（2）光纤光栅温度传感原理光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。

光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。

反射光谱入射光谱投射光谱入射光反射光投射光包层纤芯光栅光栅周期2光纤光栅传感器特点利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。

光纤光栅传感器可测物理量：温度、应力/应变、压力、流量、位移等。

图2 光纤光栅传感器分布式测量原理光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上3目前我校已经开展的工作（部分）3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。

光纤光栅传感器技术及其应用概述光纤光栅传感器的基本原理及实际应用，介绍了光纤光栅传感器在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中的应用。

一、前言 1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。

1989年，美国联合技术研究中心的G.Meltz等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。

随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后的又一重大技术突破。

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。

所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。

而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。

光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。

目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。

在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。

由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125um）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃-600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域（如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等）的混凝土组件和结构中，测定其结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧结构，并进一步实现智能建筑。

信息显示与光电技术B61114075 方华杰光纤光栅原理及其主要应用光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。

所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。

而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg 光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。

光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。

目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。

在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。

由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125μm）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃~600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988 年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域（如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等）的混凝土组件和结构中，测定其结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧结构，并进一步实现智能建筑。

本文对光纤光栅传感器的原理及应用作简单介绍。

1 光纤光栅传感器的工作原理。

1.1 光纤Bragg 光栅传感器的工作原理我们知道，光栅的Bragg波长λ B 由下式决定：λ B = 2nΛ（1）式中,n 为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。

当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。

光纤光栅法
光纤光栅法是一种基于光纤光栅技术的测量方法，主要用于测量物体的位移、应变、温度等物理量。

光纤光栅是一种在光纤中通过光栅刻蚀技术形成的周期性结构，具有对光的相位和强度敏感的特性。

通过测量光栅反射光强度随外界物理量的变化，可以实现对被测量的位移、应变、温度等参数的测量。

光纤光栅法的主要应用领域包括航空航天、土木建筑、能源电力、交通运输、生物医学等。

在航空航天领域，光纤光栅法可以用于飞机结构的在线监测，以检测飞机结构的位移、应变、温度等参数；在土木建筑领域，光纤光栅法可以用于桥梁、隧道、高层建筑等结构的在线监测，以检测结构的位移、应变、温度等参数；在能源电力领域，光纤光栅法可以用于发电机、变压器、输电线路等设备的在线监测，以检测设备的位移、应变、温度等参数；在交通运输领域，光纤光栅法可以用于汽车、火车、飞机等交通工具的在线监测，以检测交通工具的位移、应变、温度等参数；在生物医学领域，光纤光栅法可以用于人体组织的位移、应变、温度等参数的测量，以实现对疾病的早期诊断和治疗。

光纤光栅及其应用研究在当前科学技术飞速发展的时代，光纤光栅应用研究成为一项备受关注的前沿科技领域。

光纤光栅是一种基于光纤的传感器组件，通过对光纤中的光信号进行调制和反射，实现对物理量变化的检测和测量，具有高灵敏度、高分辨率以及实时监测的优点，广泛应用于航空、航天、军事、医疗、环保、能源以及通讯等领域。

一、光纤光栅的工作原理光纤光栅是一种把光波沿着光纤中的一段长度限定在光栅范围内，使之在径向上反射的光学器件，它将高精度的微处理技术与传统的光纤技术有机结合，形成了一种新型的光学传感器。

光纤光栅的工作原理主要是基于光栅的独特性质，即反射光的波长与光栅常数相关，通过对反射光信号的检测，可以得到与光栅常数相关的物理量信息，从而实现对物理量的检测和测量。

二、光纤光栅的应用领域1.航空航天领域光纤光栅在航空航天领域的应用主要体现在火箭、导弹、卫星等载体的结构健康监测和作为传感器的实时控制系统中。

通过对载体的应力、形变和温度等变化量进行实时监测，可以实现对载体结构健康状况的及时掌握，提高载体使用寿命和安全性。

2.军事应用领域光纤光栅在军事领域的应用主要体现在战斗机、导弹、坦克、侦察机等装备的结构健康状况监测中。

通过对战斗机、导弹等设备的应力、形变和温度等变化量进行实时监测，可以预测并避免可能的结构破坏和失效。

3.医疗领域光纤光栅在医疗领域的应用主要体现在手术治疗和疾病诊断方面。

通过在光纤中加入染料或生物分子等敏感物质，结合光纤光栅的高灵敏度和高分辨率特点，可以实现对疾病的精准诊断和治疗，并且避免了传统医疗设备的放射性污染。

4.环保领域光纤光栅在环保领域的应用主要体现在水质、大气污染和噪声监测方面。

通过在光纤中加入散射剂或敏感物质，结合光纤光栅的高灵敏度和实时监测优点，可以实现对环境污染的及时监测和预警，从而提高环境保护的效率。

5.能源领域光纤光栅在能源领域的应用主要体现在油气实时监测和电力设备运行状态监测方面。

建筑结构加固检测中光纤光栅传感器的应用研究发布时间：2021-08-30T13:53:11.430Z 来源：《城镇建设》2021年4卷9期作者：魏萌1 谷海敏2[导读] 本文结合具体实验数据，对建筑结构加固监测中光纤光栅传感器的应用进行了研究，魏萌1 谷海敏21、北方工程设计研究院有限公司河北石家庄 0500002、河北省建筑科学研究院有限公司河北石家庄 050000摘要：本文结合具体实验数据，对建筑结构加固监测中光纤光栅传感器的应用进行了研究，对光纤光栅传感器的使用优点、原理和具体应用方式进行了分析，得到的结果为：光纤光栅传感器的精度高、稳定性好且抗干扰性优秀，以供参考。

关键词：建筑结构；加固；检测；光纤光栅传感器1光纤光栅传感器的优点光纤光栅分布传感技术是光纤传感技术发展的新阶段，它不仅具有一般光纤传感器所有的耐腐蚀、防水、抗电磁干扰且易于与通信网并联等优点，而且因为它具有集成化、本征性、低成本的特点，能串接复用、通过一根光纤能提供各种物理参量的精确和绝对测量的优点?并且因为它们的物理载面和力学强度小，在粘贴或嵌入到主体中不会对其性能和结构造成影响，因而特别适合在结构监测中的运用。

它满足了现代土建结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，为解决结构的加固和修复中的上述关键问题提供了良好的技术手段。

本文提出将光纤光栅传感技术用于结构加固的检测，通过将自行研制的光纤光栅传感系统与常规的电测技术的对比实验，表明光纤光栅传感技术具有更好的检测精度（达0?1με）、抗干扰能力和长期的稳定性，而且操作简便、迅速特别适合于建筑工程结构的安全监测，作为一种新型传感技术具有极大的推广应用前景。

2光纤光栅传感器原理分析土木工程行业，比如建筑、桥梁、隧道、大坝等其在后期使用过程中结构内力变化是可以反映出结构的工作状态，而其结构的安全性关系到人们的生命财产安全，所以对结构进行定时检测、维护是极其重要的。

光纤光栅传感器技术因为能在各种复杂环境下工作所以在土木工程行业中，常常将传感器置于结构表面或者结构内部，通过对结构的应力检测分析、冲击检测、振动阻尼检测等等，及时发现结构存在的安全隐患。