面向交通安全监测领域的光纤传感技术

面向交通安全监测领域的光纤传感技术
摘要：在我国，很多交通设施都建于20世纪七八十年代，急需维护和翻建，而25年以上交通设施的维护费用一般是新建交通设施维护费用的几倍，而使用30
年的交通设施每平方米的维护费用是10年交通设施的4倍多。

频繁的交通设施
垮塌事故在造成着巨大社会经济损失的同时，也影响着社会公众的心理。

因此，
有必要对结构状态监测，评估及改进办法开展进一步的深入研究，并形成更加科
学的监测方法、更加可靠的智能监测传感元件、更加智能化的安全监测系统，来
弥补现有监测手段的单一性，状态评估对象的局限性，安全监测系统决策指导能
力不足等缺点，从而避免突然性的交通设施垮塌事故给人民生命财产所带来的损失。

关键词：交通安全监测；光纤传感技术
引言
光纤传感技术最早的发展始于1977年，在接下来的发展的几十年间，伴随
着光通信技术的发展，光纤传感技术得到了飞速的发展。

和传统的各类传感器相比，光纤传感器有一系列独特的优点，如灵敏度高、电绝缘性好、耐腐蚀、防爆、光路有可弯曲性，便于与计算机联接、结构简单、重量轻、体积小等。

由于这些
优点，光纤传感技术的应用已经逐步从军事领域发展到了电力、石油、石化、交
通和建筑等各个工业领域，在公共安全、国防、工农业安全生产、环保等重大安
全监测领域有着重要应用。

随着技术不断更新发展，己出现一些能实用且可在接
收现场测试的传感结构。

尤其是分布传感技术进行动态分布测试，可用于全光网
络中，使其具有可“感知”光纤被损害的功能。

光纤传感技术在全光网络中的应用
将会使全光网络更加安全可靠。

1光纤传感器的传感机理
按传感机理，光纤传感器可分为功能型和非功能型传感器；按照被调制的光
波参数不同，光纤传感器又分为：强度调制传感器、相位调制传感器、频率调制
传感器、偏振调制传感器、波长调制等不同工作原理的光纤传感器。

随着光纤传
感技术的不断发展，各种新型的光纤传感器层出不穷。

最新的一些技术进展包括
光子晶体光纤传感器、聚合物光纤传感器、长周期光纤光栅传感器、光纤白光干
涉传感器等。

光纤传感器是依靠光在光纤中传导时受到被测对象的影响使光的强度、波长、相位或频率等参数发生改变，通过检测接收光的各个参数来对被测量
进行检测或控制的一种传感器。

按工作方式光纤传感器可分为：点式、准分布式、分布式三类；按时频来看分布式光纤传感技术可分为2类：①基于光时域反射的分布式光纤传感技术（OTDR）；②基于光频域反射的分布式光纤传感技术（oFDR）；按检测光纤散射光的类型又可以把分布式光纤传感技术分为：①基
于光时域反射的分布式光纤传感技术（oTDR）；②基于光时域分析的分布式光
纤传感技术（OTDA）；依据散射光信号的性质，分布式光纤传感技术可分为：
①基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，由于光纤折射率的微小变化引起，其频率与入射光脉冲一致；②基于拉曼散射的分布式光纤传感技术，由光子与光声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差几十太赫兹；③基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用引起，其频率与
入射光脉冲相差几十吉赫兹。

2一种新型的全分布式光纤传感器系统（RBOFDR）
结合现有基于光频域反射的光纤传感器理论基础，这里提出一种新型的全分
布式光纤传感器系统，通过对反射信号的处理得到沿光纤传输的多个测量参数，
从而达到对物理光层的全方位监测。

在低温，光纤的温度的变化对Ravleigh散射
几乎没有影响，而且在很多光纤测温系统中用Ra尹eigh散射信号作为参考来解
决温度信息。

微弯主要影响Rayleigh散射，对Brillouln散射影响很小，所以可以
同时利用Ra贝eigh光频域散射来测量光纤上的随即微弯，并以此来修正Brillouln 散射中的两种光子的衰减系数，利用Brilfouln光频域散射来测量光纤上的温度/应力分布。

在对（0.8一1.6）娜的光波长段，固有损耗a。

中，Ravleigh散射损耗
是最主要的，而其它损耗可以通过改进降低到非常低，对于附加损耗，由于传感
器系统采用单根光纤，其中的连接损耗可以不考虑。

并且当弯曲半径大于10cm，其弯曲损耗可忽略不计。

3光纤物联网感知技术
联网的核心包括：感知、传输和智能处理。

目前的难点之一在于传感器技术
难以满足需求。

对于大跨桥梁安全监测领域而言，光纤传感技术的应用带来了诸
多的福音和优势，例如传感器可多路复用，线缆布设方便，适宜无源远距离传输，抗电磁干扰等，但同时应该清楚的认识到，目前适用于桥梁结构监测的可选用光
纤类传感元件还略显单一，国内外对光纤传感器的研究开发多集中于应变类和温
度类的传感器，可直接监测大跨度桥梁结构内力的可选传感器种类还不够丰富。

尤其对大跨度缆索类支撑桥梁的缆索索力的远程长期监测手段还比较有限，可选
择的方法主要局限在光纤光栅测力环，光纤光栅振动传感器和智能筋技术，前两
项技术虽都有工程实例，但均有其自身的局限性，光纤光栅测力环需要依靠弹性
体传力，由于弹性体体积大，质量重，在运输和安装过程中均需要复杂的机械设
备辅助，且安装过程中需要精确定位防止偏心。

光纤光栅振动传感器则是光纤传
感技术与频率法测索力的结合，由于计算中需要考虑的索长、线密度和边界条件
往往难以精确确定，因此，测试获得的结果并非绝对意义上的准确，仅能作为不
同期测试的相对值进行比较。

4传感器结构
轮轨耦合监测装置是进行动态监测，需安装于铁路运营线路上，因此为了保
证监测装置不影响铁路运营的安全，需要使监测装置装拆之时不能破坏轨道结构
安全，同时为了便于工程应用，应使监测装置便于护养。

按照上述要求，结合轮
轨耦合动力分析的结果，设计了光纤光栅传感装置。

该传感装置由3部分组成，
包括传感部件、固定部件和保护部件。

传感部件是一块固化有光纤光栅传感器的
钢板，该钢板置于钢轨底部以感知钢轨受到车轮载荷作用是的弯曲程度；固定部
件的作用是将传感部件固定于钢轨上，它包括四个夹块和两组螺栓，4个夹块将
传感部件夹住并利用螺栓的预紧力将其牢化，这样传感部件就能使传感部件能很
好的感知钢轨的应变变化；保护部件是为了保护传感部件以及传输光纤，它包括
罩在光纤光栅传感元件上的金属罩、焊接在钢板上的金属导管以及保护光纤的钢
丝管，利用这些部件能够保证光纤光栅传感装置经受住轨道监测现场恶劣的监测
环境的考验。

结语
光纤传感技术的到来，对大跨度桥梁安全监测系统的发展起到了巨大的推动
作用，保证了应变、温度类为主的监测参量的大规模远程实时监测。

但由于光纤
解调技术的国外垄断性，国内鲜有大规模采用光纤传感技术为主的桥梁安全监测
系统。

基于此现状，计算机及网络技术虽发展快，技术成熟，但缺乏数据规模大，可实时远程监测的桥梁安全监测系统的研究和应用环境。

同理，桥梁安全专家评
价系统受制于前述两者的发展，还停留在理论和规模较小的试验阶段研究，远不
能满足实际工程结构的应用需求。

物联网时代的到来对桥梁安全监测系统提出了
新的目标，新的要求，桥梁安全监测系统需要新的智能监测技术，需要更加可靠
高效的管理维护办法。

参考文献：
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