光纤传感器系统在土工结构的静动应变测量上的应用

为了确定土工结构的稳定性、安全性和寿命，智能测量系统能传递可靠、精确的相关数量的信息，比如应变、应力、温度和化学性质。在施工过程和长期的运行控制中，需要用最佳的技术进行监测。

近年来，光纤传感器已被用于恶劣环境下的岩土和土木工程监测的方案中。由于它尺寸紧凑，能被设计成集成结构系统，所以被称为“智能型传感器”。以下是3个成功的土工结构应用实例：1）在准静力循环加载过程中的大直径混凝土钻孔灌注桩的原位应变监测；2）用于钻孔应变测量时所安装在测斜管的永久性记录仪；3）用于实验室的岩石力学性能试验的布拉格光栅光纤应变传感

器。

本文概述了各种情形下研发的测试技术，并把试验结果与参照传感器作了性能比较。讨论了新技术的优势和在岩土工程中潜在的巨大需求。1

布拉格光纤光栅技术在应变和温度传感器系统中的应用

布拉格光纤光栅（FBG ）是本征传感器元件，用UV 激光刻写在光纤上。通常波长约为245nm 。这个敏感元件包含一个空间频率为Λ，且折射率为n 的周期调制的纤维芯。当特征波长为λB 时，光栅是一个选择性很强的谱反射器：

λB =2n Λ

（1）

光纤传感器系统在土工结构的

静动应变测量上的应用

何晖译，姚诗伟校

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032）

摘要：评估了光纤传感器作为完整的结构部件在恶劣的环境条件下，进行长期或短期应变监测的可行性。不同的规模和材料的土工试验过程中已经使用了光纤传感器。实例研究包括静力轴向的钻孔桩测试、钻孔测斜、试验室的单轴压缩测试。

关键词：布拉格光纤光栅；钻孔桩应变监测；钻孔测斜；应变测量中图分类号：TU 433

文献标志码：B

文章编号：1002-4972（2010）05-0065-05

Fiber optic sensor systems for static and dynamic strain measurements

of geotechnical structures

HE Hui,YAO Shi-wei

(CCCC Shanghai Harbour Engineering Design &Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China)

Abstract:We assess the feasibility of fiber optic sensors as structurally integrated components for short and

long -term strain monitoring under rough environmental conditions.Geotechnical testing procedures at different scales and in various materials have been carried out with these sensors.Case studies include a static axial borepile test,borehole inclinometer measurements,and uniaxial compression tests at laboratory scale.

Key words:fiber Bragg grating;strain monitoring of a bored pile;bole hole inclinometer measurements;

downhole strain measurement

收稿日期：2009-11-10

作者简介：何晖(1978—)，女，助理工程师，从事科技信息及翻译工作。

2010年5月

第5期总第441期May 2010

No.5Serial No.441

水运工程

Port &Waterway

Engineering

水运工程2010年

任何n 或Λ的变化对反射波长都有一个成正比的反应，如图1，2所示。

因此，原则上，FBG 传感器能测量静动状况下的应变、温度和压力。对应于应变变化△ε的波长改变△λ如下式：

△λ=△ε·（1-ρα）λB

（2）

式中：ρα=0.22是光纤的光弹系数。

因为使用二氧化硅玻璃光纤，1550nm 波长

的FBG 应变灵敏度为1.15pm/με，并且该FBG 的温度灵敏度为1.3pm/℃。对于温度变化大的应变测量，需要能区分温度效应与应变灵敏度。

为了测量静应变，采用光纤法布里-珀罗可调滤波器系统（FFP-TF ）作为FBG 传感器的读出单元（图3）。这种询问技术允许几个传感器同步串联探测，传感器总数取决于期望的应变范围。这个系统有一个温度稳定的固定法布里-珀罗多波段基准，因此来达到稳定，其精度为±5pm ，以符合静力应变的分辨率10-6mm/mm 。

为探测频带波段为10~10000Hz 动应变信号，按照比例强度调幅原理研制了样机（比如小

波段滤波器），图4显示了野外使用的性能。

2大直径钻孔桩的应变监测2.1

测试条件

在准静态加装载循环过程中，大直径混凝土

桩内埋设了由布拉格光栅光纤传感器组成的网络用于变形监测。FBG

传感器被装配到桩的钢筋笼

图1布拉格光纤光栅传感器的测量原理

图2布拉格波长转换和内部的光栅纤维

变形之间的线性关系

图3FBG

询问系统用于静应变检测

图4在密集波长多路滤波技术基础上的用于

动应变检测的FBG

询问系统

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