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《光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用》篇一一、引言随着科技的不断发展，光纤光栅传感技术因其独特的优势，在众多领域中发挥着重要作用。
尤其在结构健康监测方面，光纤光栅传感技术的应用已经成为研究的重要方向。
本文将深入探讨光纤光栅传感技术的原理及其在结构健康监测中的具体应用。
二、光纤光栅传感技术概述光纤光栅传感技术是利用光纤光栅（FBG）对光信号进行调制和传输的技术。
光纤光栅是利用特殊的光纤工艺在光纤内部制作出的特殊光学滤波器，能够有效地实现对外界环境如温度、应力等物理量的精确感知和实时监测。
三、光纤光栅传感技术的原理光纤光栅传感技术主要基于光纤的布拉格效应（Bragg Effect）。
当光波在光纤光栅中传播时，由于布拉格效应的干涉作用，会形成特定波长的反射光谱，其波长会随外界环境的物理量变化而变化，通过测量这一变化可以获取环境物理量的信息。
四、结构健康监测的必要性结构健康监测是对建筑、桥梁、隧道等基础设施在运营过程中的安全性、稳定性及损伤状况进行实时监测。
这些设施的健康状况直接关系到人们的生命财产安全，因此对其进行有效的健康监测至关重要。
五、光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用1. 分布式监测：光纤光栅传感技术可以实现对结构的分布式监测，通过在结构内部布设大量传感器，实现对结构的全方位监测。
2. 高灵敏度：由于光纤光栅传感技术的高灵敏度，可以实时监测结构在微小应力、温度变化下的响应情况。
3. 长期稳定：相较于其他传感器，光纤光栅传感器具有长期稳定的特性，能够在恶劣环境中持续工作。
4. 抗干扰能力强：光纤光栅传感器不受电磁干扰，能够有效地在复杂环境中进行工作。
六、具体应用案例分析（此处可以举几个具体的例子来展示光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用，比如可以列举某个大型桥梁的健康监测案例，说明如何通过该技术实现对该桥梁的长期实时监测）七、总结与展望光纤光栅传感技术在结构健康监测中发挥了重要作用。
其独特的分布式监测、高灵敏度、长期稳定及抗干扰能力强等特点使其成为一种理想的结构健康监测技术。
地铁隧道沉降监测中光纤光栅技术的运用研究摘要：光纤光栅技术（Fiber Bragg Grating，简称FBG）是一种新型的工程安全监测技术，本文提出将该技术应用于地铁隧道安全监测的新思路。
通过实例探讨在地铁隧道沉降监测中光纤光栅监测的可行性。
研究表明，与传统方法相比，光纤光栅具有测量精度高，能够满足一定距离内地铁隧道安全监测的要求。
关键词：光纤光栅；地铁隧道；沉降监测引言地铁建设促进了经济发展和城市地下空间的利用，但与其他地下公共设施一样，地铁隧道大多建在柔软的第四纪沉积土层中，很容易位于复杂的地质，狭窄的道路，密集的地下管线和交通中。
繁忙的市区和地铁沿线的城市建设将不可避免地导致地铁隧道结构的纵向沉降。
一定程度的沉降可以视为正常现象，但如果沉降超过一定限度，特别是不均匀沉降会造成地铁隧道结构变形，给地铁的正常运行带来隐患，甚至造成难以想象的安全事故。
因此，为了保证地铁隧道主体结构和周围环境的安全，在隧道的正常运行和沿线建筑物的建设中，地铁隧道的实时有效沉降监测必须进行结算监测数据应及时反馈，预测结算趋势，提前采取措施预防事故发生。
地铁隧道沉降监测对隧道安全监测具有重要意义。
FBG是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。
由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，所以越来越受关注。
由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以本文利用这一特性对某地铁线路的沉降情况进行检测，并利用互联网、传感器、无线通讯技术实现了地铁隧道的实时监测，以保障地铁的运营安全。
1 光纤光栅技术的原理1.1 应力的测试所谓的光纤光栅是指由光纤纤芯中的周期性折射率变化形成的光栅效应。
光纤光栅是根据光纤的光敏特性制成的，是直接利用石英光纤的光波导结构在光纤上形成光波导结构而形成的光纤波导装置。
它的功能主要是在核心内形成一个窄带滤波器或镜像。
光纤Bragg光栅传感器在矿井巷道锚杆应变监测中的应用【摘要】针对目前矿井巷道普遍采用的机电类传感器存在的检测灵敏度低、抗干扰能力差、使用寿命短等不足，提出将光纤Bragg光栅（FBG）传感器应用于煤矿巷道支护锚杆的应变监测中。
光纤Bragg光栅的谐振波长与光栅的周期以及纤芯的有效折射率有关，当这些参数由于外界应力的变化而发生改变时，其谐振波长会相应发生变化，因此通过检测谐振波长的变化量，即可实现对应变的传感监测。
模拟实验表明，光纤Bragg光栅传感器监测结果准确，为矿井巷道支护锚杆的应变监测提供了一种行之有效的方法。
【关健词】光纤Bragg光栅传感器;锚杆;应变;监测1.引言目前，常用的锚杆应变监测装置的机电类传感器普遍存在着工作寿命短、易受电磁干扰等缺点[1]。
基于此，本文提出将光纤Bragg光栅传感器应用到煤矿巷道支护锚杆的应变监测中，研究了锚杆在拉张载荷作用下的应力应变变化。
通过实验室建立的物理模型进行应变测量实验，结果表明，光纤Bragg光栅传感器测量结果准确。
2.光纤Bragg光栅传感器的原理光纤Bragg光栅传感器以光纤Bragg光栅为基础。
其原理如图1所示。
图1 光纤Bragg光栅原理图光纤Bragg光栅的波长表示为：（1）其中是纤芯的有效折射率，是光纤Bragg光栅周期。
当光纤Bragg光栅受到外界的应变作用时，光栅周期会发生变化，而且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率也随之发生变化，因此Bragg光栅的波长会发生一定的漂移。
通过检测光栅反射回来的光信号的波长漂移量，即可获得应变的变化情况。
这就是光纤Bragg光栅应变传感器的原理。
光纤Bragg光栅的应变效应可表示为：（2）式中，为光纤Bragg光栅波长的漂移量，为初始波长，为光纤的有效弹光系数，为光纤Bragg光栅上发生的应变。
当光纤材料确定后，有效弹光系数即为一与材料相关的常数，令，则（2）式可化为，可以看出波长漂移量与应变成正比，比例系数为光纤Bragg光栅的应变灵敏度系数。
基于FBG表面应变仪的隧道监测系统
胡玉瑞;张奂欧
【期刊名称】《现代隧道技术》
【年(卷),期】2010(047)004
【摘要】由于隧道使用期较长、环境恶劣,因此及时对隧道结构性能进行检测和诊断、对可能出现的灾害进行预测并评估其安全性已经成为隧道工程的必然要求.为此,在分析FBG传感器传感原理的基础上,将FBG表面应变仅用于隧道表面应变监测;同时在现场进行了FBG传感器与钢弦式传感器的对比试验.试验结果表明:FBG 传感器具有很高的测试精度,长期稳定性好,信号传输距离远,是隧道长期监测的一种可靠而有效的手段.
【总页数】4页(P54-57)
【作者】胡玉瑞;张奂欧
【作者单位】中国航空油料有限责任公司云南公司,昆明650200;中国航空油料有限责任公司云南公司,昆明650200
【正文语种】中文
【中图分类】U456.3
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1.基于FBG风电桨叶动平衡监测系统的研究 [J], 李继超;
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地铁暗挖隧道FBG监测技术研究摘要文章采用光纤布拉格光栅(FBG)传感技术对地铁暗挖区间隧道进行了监测研究,内容包括监测设备比选、监测系统设计、传感器封装及保护、数据处理与分析,最后根据监测数据对隧道在开挖期间初期支护体的内力、温度及与围岩间相互作用关系进行了分析。
研究表明,FBG传感技术用于地下工程的监测十分可行,优势明显,应用前景十分广阔。
关键词暗挖隧道FBG监测1 前言是市轨道交通的中间站,上承火车站,下接淘金站,为明、暗挖结合的三层分离岛式地铁车站。
其站台层为控制钻爆法开挖的浅埋暗挖隧道,主体埋深17.5~30.1m,穿越地层主要为白垩系上统的风化泥质粉砂岩,局部进入第四系松散层。
支护采用钢格栅挂钢筋网后喷混凝土,局部围岩松散段顶部采用小导管超前注浆加固支护,初期支护变形稳定后进行二次衬砌。
站址位于环市中路下方,西临环市中路与下塘西路、小北路交叉口,周边环境复杂,需要对开挖引起的围岩变形进行严格控制。
光纤传感技术为近十几年兴起的一门新型传感技术,其中以光纤布拉格光栅(FBG)传感器最为突出,自1989年Morey首次报道将光纤光栅用作传感器以来[1],其以高精度、准分布、抗干扰及耐腐蚀等突出特点迅速被广泛地应用到航空航天器、土木工程、复合材料、石油电力等诸多领域的监测和测试中,取得了丰硕成果[2~6]。
本文采用该技术对的站台层暗挖隧道初期支护体的应力、应变及温度进行了监测,探讨了支护体与围岩间的相互作用规律,以便为下一步施工及围岩变形控制提供可靠依据。
2 FBG光纤技术简介光纤光栅分布在光纤体内,可由紫外光对光纤侧面进行曝光,使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布。
布拉格光栅(FBG)属于短周期光纤光栅,其光纤光栅栅距Λ一般小于1μm,耦合发生在正向与反向传输的模式之间。
当入射光波的波长λ满足布拉格衍射条件时,则该波长的光波将沿来路发生反射,该反射光就是布拉格反射光,其关系式为:λB=2n eff·Λ(1)式中λB———FBG中心波长;n eff———有效纤芯的折射率;Λ———FBG传感器光栅的栅距。
浅谈FBG在隧道监测中的应用
陈俊
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2010(036)031
【摘要】阐述了FBC传感技术的传感原理及相关参数计算公式,分别介绍了FBG 传感技术在钢筋应力,二次衬砌应变、工字钢应变等隧道监测项目及隧道消防中的应用,指出该技术在隧道的安全性监测方面具有广阔的工程应用前景.
【总页数】3页(P321-323)
【作者】陈俊
【作者单位】江苏省水文水资源勘测局常州分局,江苏常州,213001
【正文语种】中文
【中图分类】U456.3
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1.FBG应变传感器在盾构隧道监测中应用 [J], 杨玉坤;王新
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隧道二次衬砌FBG智能监测与数值模拟赵星光;邱海涛;李川【期刊名称】《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2008(040)001【摘要】随着公路隧道向长大型方向发展,对其进行长期安全监测是十分重要的工作.光纤布拉格光栅(FBG)传感器作为一种新型的光纤传感器,已被国内外应用于土木工程结构的状态监测和长期监测.在室内进行标定试验,研究FBG的传感特性,得出应变和温度灵敏度系数.证明FBG是一种理想的传感原件,并在某高速公路隧道进行应用.采用三维快速拉格朗日法,获得隧道二次衬砌中应力和位移分布规律,据此提出FBG传感器在隧道内的布设方法、串联粘贴方式及安装工艺,在不同时期对隧道8个断面进行应变监测,并与数值模拟结果对比分析表明,应变与应力和位移具有分布范围的均匀性和分布状态的一致性特点,进一步证明了监测结果的可信性;最后分析应变与降水量随时间的变化特征,评价了隧道的安全状况.【总页数】7页(P114-120)【作者】赵星光;邱海涛;李川【作者单位】北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明650093;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明650093【正文语种】中文【中图分类】U45【相关文献】1.鹙窝梁隧道二次衬砌数值模拟及衬砌安全性分析 [J], 李雷;张慧;潘彩君;2.鹙窝梁隧道二次衬砌数值模拟及衬砌安全性分析 [J], 李雷;张慧;潘彩君3.FBG应变计在引水隧道二次衬砌安全监测中的应用与研究 [J], 潘恒飞;杨庆;周克明;丁勇;钱亚俊;张明东4.隧道二次衬砌结构温度裂缝预测及开裂风险影响因素的数值模拟分析 [J], 杨睿;王育江;徐文;李明5.基于数值模拟对隧道二次衬砌的研究 [J], 涂四根;冯雪婷因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于FBG技术的桥梁结构安全监测研究随着城市化进程的加快，桥梁作为城市交通的基础设施，承载着城市经济、人民生活和交通安全的重要组成部分。
为了确保桥梁的安全使用，必须对桥梁的结构进行实时监测。
而当前，基于FBG技术的桥梁结构安全监测成为了一个热点研究领域。
一、FBG技术的概念及原理FBG是“Fiber Bragg Grating”的缩写，中文翻译为“光纤布拉格光栅”。
它是一种光纤传感器，利用光栅的周期性反射衍射原理来测量物理量。
其组成部分为光纤、光栅和光源，而光纤是FBG的负责传输信号的部分。
光栅是由一系列的折射率周期性变化构成的，光源输出光功率，光栅反射部分光波，其中反射量和参数之间有着特定的函数关系，在监测中可根据反射量反推光栅参数。
二、FBG技术在桥梁结构安全监测中的应用2.1应变监测桥梁在使用过程中，常常会受到外力的影响导致应变产生，如果这样的应变过大，将会导致桥梁出现损伤，甚至造成桥梁失效。
因此，利用FBG技术对桥梁进行应变监测，可以及时发现桥梁结构的问题，定期进行维护，降低风险。
FBG传感器可放置于桥梁表面或内部，对桥梁中的应变进行长期实时监测和数据采集。
同时，利用FBG技术可以实现对单个传感器的识别和定位，从而准确定位桥梁中的损伤。
2.2温度监测桥梁结构还受到环境因素的影响，例如温度、湿度等。
其中，温度变化是造成桥梁结构发生变形和位移的主要因素之一。
利用FBG技术对桥梁中的温度进行实时监测可及时发现温度异常情况，进而修改建造设计，以实现桥梁的长期稳定性。
2.3传感器布局FBG传感器的特殊性质，可将大量的传感器集成到光纤中成为光纤光栅传感器系统。
在布局方面，可将传感器分布于桥梁的主要节点处，形成传感器阵列，具有非常高的监控覆盖率，可针对多种损伤类型实现损伤损失的监测。
三、FBG技术在桥梁结构监测研究中的发展趋势在不断推动传统按照加固方案进行维修和改造的同时，FBG技术在桥梁结构监测中得到了迅速的发展，在实际应用中已经具有了较大的成熟性。
2007年第26卷第12期 传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies)F BG传感器在隧道锚杆支护结构监测中的应用研究武胜军,王宏力,敖红奎(第二炮兵工程学院,303教研室,陕西西安710025)摘 要:在应用新奥法进行隧道施工中,锚杆支护是重要支护形式之一,而如何监测该结构的应变特性是其中关键。
提出了将F BG传感器应用于隧道锚杆支护结构的监测。
现场试验表明:F BG传感器能够很好地实现对锚杆支护工程的监测。
关键词:光纤B ragg光栅传感器;锚杆支护;应变;监测中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2007)12-0031-03Appli ca ti on research of FBG sen sor on m on itor i n ganchor support structure i n tunnelWU Sheng2jun,WANG Hong2li,AO Hong2kui(303St aff Roo m,The Second Artillery Eng i n eer i n g College,X i’an710025,Ch i n a)Abstract:I n the constructi on of tunnel based on NAT M,a key p r oble m is how t o monit or the strain characteristics of the anchor support,which is one of the i m portant support f or m s.A method of monit oring the tunnel anchor support structure by F BG sens ors is put for ward.The l ocal experi m ent shows that the F BG sens or can realize the monit oring of the anchor support p r oject and can rep lace the traditi onal sensing techniques in the future.Key words:fiber B ragg grate(F BG)sens or;anchor support;strain;monit or0 引 言自从我国在20世纪70年代引入新奥地利隧道施工方法(new Austrian tunneling method,NAT M)并经迅速推广使用后,在各种复杂地质条件下已成功修建了大量隧道[1]。
锚喷支护被称为该技术的三大支柱之一,其作用是通过采用锚杆和喷射混凝土作为主要支护手段,以维护和利用围岩的自承能力为基点,从而有效地控制围岩的变形和松驰,使围岩成为支护体系的组成部分。
所以,锚喷支护工程的质量将直接影响到隧道建设的成败,因此,对锚喷支护的力学状态和稳定程度的监测显得至关重要。
这类监测通常在施工中进行(称监控测量),也有在服役运行期中进行的结构健康监测;监测的前提是从锚喷支护结构中提取能够真实反映出结构特征的参数。
在这些参数中应变是材料与结构的重要物理特性,最能反映结构局部特征,也便于结构安全评价与损伤定位检测。
在该类监测中,常用的敏感元件为电阻应变计、应力计等。
目前,这些传统的机电类敏感元器件虽然已大量使用,并已有成熟的技术,但工作寿命短、精度低、易受干扰、传输距离短等缺点限制了它的使用范围。
近年来,光纤B ragg 光栅(fiber B ragg gating,F BG)传感器作为一种新型的无源传感器件,与传统的传感器相比,其以体积小、重量轻、耐腐蚀、测量精度高、抗电磁干扰、可实现远距离传输及分布式测量等独特优势在传感领域获得了很大的发展,在土木工程的健康监测、医学、军事、航天等领域都得到了广泛的应用[2]。
本文提出把F BG传感器应用于隧道锚杆支护的结构监测,并根据工程应用实际进行了现场试验研究,通过对试验结果分析得知,F BG传感器不但能够成功地应用于锚杆支护结构的应变监测,而且,灵敏度高、与结构和环境相容性好、安装布设方式灵活。
1 F BG传感器工作原理当光纤芯层的折射率受到周期性调制以后便成为F BG,用此光栅制作的传感器即为F BG传感器,其传感过程是通过外界参量(如,温度、应变等物理量)发生变化时导致光栅B ragg中心波长的改变来实现的。
通过调制解调仪得到光栅点的波长并以数字方式传输到计算机,从而得到反射光的波长变化[3]。
图1为F BG结构示意图。
F BG对收稿日期:2007-11-1313 传感器与微系统 第26卷被感测的信息以波长编码,而波长是一绝对参量,它不受光源功率波动、光纤弯曲以及其他器件的插入损耗等因素引起的影响,且不像传统传感器易受到其他干扰,因而,具有非常好的可靠性和稳定性[4]。
图1 FBG 结构示意图F i g 1 Structure d i a gram of FBG 当光栅的B ragg 波长在应变和温度的作用下发生变化时,其变化量ΔλB 由下式给出ΔλBλB=K εε+K T T .(1)这里,K εε和K T T 分别代表应变和温度对波长产生的影响。
对一般石英光纤而言,系数K ε和K T 大约为0.78和9.15×10-6。
在通信波段1550n m 波段的附近,1×10-6的应变和1℃的温度变化将导致大约1.2,14pm 的B ragg 波长的变化。
因此,在对应变进行测量时必须进行温度补偿,常用的交叉敏感分离方法有双波长矩阵运算法、双参量矩阵运算法、温度参考光栅法、温度补偿封装法等[3],本文应用温度参考光栅法。
分布式传感是F BG 传感技术得以推广的优点之一[5]。
它是利用F BG 中心反射波长值的不同来识别网络中各点的变化状况,这种方法可以一次查询多个F BG,条件是这些传感器的B ragg 波长(中心波长)不会互相重叠。
分布式F BG 传感系统原理如图2所示。
该技术便于构成各种形式的光纤传感网络[6],尤其是采用波分复用(WDM )技术构成分布式F BG 传感器阵列,可以在大型土木工程中进行大面积的多点测量,优点十分显著,这是其他传感器所不能比拟的。
图2 分布式FBG 传感系统示意图F i g 2 Sche ma ti c d i a gram of FBG d istr i buti n g sen si n g syste m2 F BG 传感器在隧道锚杆支护结构监测中的应用2.1 试验目的与方案本试验立足于隧道锚杆支护结构监测这个重点,通过常用的锚杆拉拔力试验来检测锚杆支护的质量。
首先,在锚杆上安装2只F BG 传感器和2只电阻应变计,其中,电阻应变计与F BG 传感器安装于同一位置。
在2只F BG 传感器之间安装1只温度参考F BG 传感器,用于温度补偿;然后,将此锚杆试件插入预留孔进行锚固,待锚固充分后在处于自由端的锚头安装锚杆拉拔机,并进行拉拔加载试验,逐步加载并记录相应的F BG 波长变化和电阻应变计所监测的应变量。
通过监测的数据来建立传感器波长变化与锚杆应变增量的关系,分析F BG 传感器在锚杆上施加拉拔力过程中的应变传感特性,并将结果与处于同一位置状态下的电阻应变计感知结果进行对比,以此来验证F BG 传感器在隧道锚杆支护结构监测中应用的可行性,为实际的工程应用提供参考。
图3为隧道锚喷支护结构示意图,图4为试验方案示意图。
图3 隧道锚杆支护结构示意图F i g 3 Structure d i a gram of tunnel anchor support图4 试验方案F i g 4 Exper i m en t sche m e2.2 试验设备主要试验设备和元件有钢筋锚杆、锚杆拉拔机、片式封装F BG 传感器、解调仪、电阻应变计等。
钢筋锚杆为普通水泥砂浆锚杆,杆体材料为3号钢筋,直径为18mm,长度为1.5m,水泥砂浆的强度等级为M25,抗拉拔力大于50kN 。
解调仪采用美国M icr on Op tics 公司生产的F BG 2I S 光纤光栅解调器,波长分辨力为1pm,扫描范围为1530～1570n m,扫描频率为50Hz 。
F BG 传感器采用不锈钢材料封装,F BG1的中心波长为1518.78n m,F BG2的中心波长为1519.24n m,应变灵敏度系数为1.0pm /×10-6,温度参考F BG 温度灵敏系数为10pm /℃。
锚固力拉拔试验设备采用ML 220型锚杆拉拔机。
2.3 传感器与敏感元件安装布设方案2只F BG 应变传感器、1只F BG 温度补偿传感器、2只应变计均沿锚杆轴向布设,3只F BG 传感器串接到一根光缆上,与电阻应变计线缆由同一侧引出。
这5只敏感元器件安装点处均需打磨干净。
图5为敏感元器件在锚杆上的安装布设方案。
23第12期 武胜军,等:F BG 传感器在隧道锚杆支护结构监测中的应用研究 图5 敏感元器件在锚杆上的安装布设方案F i g 5 I n st a ll a ti on sche m e of sen si n g elem en t on anchor 安装布设完毕后将制好的锚杆插入预留孔,喷注锚固剂砂浆,等砂浆凝固后,在锚头一端先焊上带有螺丝扣的杆件(其强度应大于锚杆强度);然后,安装ML —20型锚杆拉拔机,并进行拉拔试验。
2.4 试验结果对锚杆拉拔逐步加载时应匀速缓慢,以免影响试验的准确性。
同时,利用解调仪测量出F BG 的中心波长,利用数字采集仪测量出应变计的应变值,根据试验结果对比传感器件测量应变的性能,拟合出F BG 传感器波长变化与锚杆应变增量的关系曲线。
图6显示了锚杆拉拔机逐步加载时,与2只F BG 传感器安装位置相同的电阻应变计所检测的应变变化曲线(为减小误差,把F BG 附近的2只应变计读数的平均值作为最终结果)。
图6 应变计所检测的应变的变化曲线F i g 6 Stra i n change curve of stra i n ch i p m ea sur i n g 图7为安装在锚杆上的2只F BG 传感器随锚杆拉力变化曲线,可以看出:F BG1和F BG2在加载过程中波长变化趋势基本一致;图8是根据试验结果拟合的F BG 波长与应变的关系曲线,可以看出:曲线近似为直线,虽然在测试时存在一些误差点,但总的加载和卸载情况基本一致,说明了F BG 传感器的波长随轴向应变的变化呈现出良好的线性和重复性。
