光纤光栅应变传感器产品及监测实例

光纤光栅应变监测

监测原理

光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论，

Λ=n B 2λ的波长就被光纤光栅所反射回去（其中λ

B

为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周

期，n 为纤芯的有效折射率）。

图1 光纤光栅的结构

反射的中心波长信号λB ，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n 有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说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。当布喇格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力或应力。

性能指标

主要特点

★可靠性好、抗干扰能力强 ★ 测量精度高

★ 分布式测量，测量点多，测量范围大。 ★ 传感头结构简单、尺寸小

★ 抗电磁干扰、抗腐蚀、适于恶劣的化学环境 下工作。

★ 系统安装使用过程中无需定标，使用寿命可 达25年以上，适用于长期监测。

应用领域

航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结构、建筑结构、桥梁结构、医疗器具、核反应堆结构等

工程实例

采用光纤监测混凝土大管桩在施工过程中的应变结果分析

舟山万邦永跃船舶修造有限公司30万吨级舾装码头船坞应变监测

徐州矿务局张双楼煤矿主通风井冻法施工安全监测

内蒙古多伦电厂桩基静载测试

马来西亚宾城跨海大桥桩基承载力检测

深表土冻结外井壁光纤应力实测分析

监测点布置总体原则

为掌握竖井壁变形动态，并在今后继续发挥其安全预警作用，应布设较为全面完整的多方位监测体系，从而最大限度的发挥光纤光栅传感器的功能，经初步分析，井壁可能的变形主要包括：井壁受周围粘土挤压产生应变；应变引起井壁相对位移（井壁收敛）；深度不同引起叠加位移等，另外因采用冻法施工，井壁壁后温度也是影响作业面及支护初期安全的重要要素，这些要素很有可能成为护壁破坏失稳、发生恶性事故的诱发条件。综上述，竖井监测系统设计的总体原则是：

采用多层、多向监测的方法，在关键点（层）布置光纤应变、温度传感器，监测内容包括：井壁应变监测、壁后温度监测。

现场工况较为潮湿，施工线路较多，监测设备应具有很好的防水、防电磁干扰性能；

现场采集数据难度大，应采用微机室内实时采集的方式（数据采集中心）；

做好充足施工前准备工作，保证设备安装迅速，准确，不影响现场正常施工。

监测内容的确定

（1）应变监测：计划3层，分别位于170.0m、195.0m、220.0m（根据实际支模板时按照施工工艺做适当调整），每层布设监测点5个。监测点布置图见附图一，可与业主协商增加或减少监测层数、点数。

（2）温度监测：计划3层，分别位于170.0m、195.0m、220.0m（根据实际支模板时按照施工工艺做适当调整），每层布设监测点5个(与应变传感器处于同一位置靠外侧)。

（3）安装应变传感器时应考虑每层至少1个为竖井纵向方向安置。

（4）施工过程中可根据监测数据分析结果调整各阶段监测内容。

监测周期的确定

从前述本监测项目任务可以看到，本监测项目数据采集部分分为两个阶段，一为竖井开挖粘土层施工过程中的监测，二为粘土层通过后的监测。在施工过程中，为了做到全面掌握

施工中挖空区区间的稳定程度，进行及时的反馈，跟踪施工进程；并对可能出现的险情发出合理建议，以便调整有关施工工艺和步骤，避免危险的发生。此阶段监测应根据施工现场和施工进展情况采取较小的数据采集周期。一般情况下，在施工阶段以每2～4小时测量一次。在施工通过粘土层后，因下部开挖相对于粘土层较为安全，各监测数据趋于平稳时，观测周期一般为1个月1次或两次，若遇暴雨等其它不利情况则应适当加密。

图4.1安装完成的光栅应变传感器

数据采集及监测成果

数据采集在监测室（数据采集中心）进行，定时将光纤传来的传感器中心波长存储至计算机，经处理后转化为应变（温度）量，所有采集数据见表8.1～8.4“监测数据”,图5.1～5.4为167米层位和225米层位测得的应变及温度变化曲线。

Y 温度

X 日期2007-1-9HH:mm

Y 微应变

X 日期2007-1-9HH:mm

图5.1 176米传感器应变曲线 图5.2 176米传感器温度曲线

图5.3 225米传感器应变曲线 图5.4 225米传感器温度曲线

结论

7.1光纤光栅传感器稳定性好、抗干扰能力强及灵活的安装形式使其具有很好的工程应用前景。

7.2竖井纵向、切向应力不同，纵向应力图较为平缓，竖井壁纵向受力小于切向受力。 7.3监测数据以负为主，说明了在井壁浇筑完成后主要受外界土压作用，有向内收敛的趋势。

7.4从两个断面处切向应力的变化趋势大致可以看出，监测区域主要受到外界土压的作用，并且压力在监测时域内不断增大，增大的趋势逐渐变缓。

7.5两个层位应力基本相同，切向平均最大值为－3.76×1010N/m 2和－3.74×1010N/m 2。 7.6根据实测，在膨胀性黏土中，浇灌混凝土后3天达到应力最大，施工期应考虑井壁冻结力作用。要采取提高混凝土井壁3天强度措施，以满足最大冻胀应力要求。普通混凝土很难达到需要的强度，应采用早强混凝土。

7.7根据实测数据，我们认为，测试埋设点在应力最大位置。

7.8光纤光栅传感器在测试应用中应根据实际应用环境改进传感器结构，使其更加准确反映被测体变形。

Y 微应变

X 日期2007-1-9HH:mm

Y 温度

X 日期2007-1-9HH:mm