光纤传感监测技术在我国建筑结构及各种土木工程中的应用
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摘要：光纤传感技术与常规监测方法相比具有很大的优越性，如分布式、长距离、高精度、实时性、抗干扰性和抵抗腐蚀能力等，可满足大型建筑结构、基坑工程、隧道工程、桥梁、边坡工程等安全监测。本文介绍了两种应用比较广泛的光纤传感技术：布里渊光时域反射（BOTDR）和布拉格光纤光栅（FBG），并进一步就国内在 BOTDR和FBG在我国土木工程中的应用做了较详尽的综述。
随着我们国家的经济建设的加快速度进行发展，各类土建工程纷纷上马，其中不乏很多大型工程结构和基础设施，如超高层建筑、水坝、桥梁、隧道、地下人防工程等。这些大型工程结构往往服役时间比较久，在其使用期内由于地震、洪水和台风等外因的作用不可避免的要产生损伤。这些大型结构的健康监测工作因而变得十分重要，工程监测也已发展成为一个重要的研究课题。
目前大范围的使用在工程结构上的检测系统，主要由若干种传感器构成。这些传感器布设在结构中，采集应力、应变、位移、温度等物理力学参数。常规的传感器有差动电阻式、电阻应变计式、电感式、弦式等，其中最常用的是差动电阻式及弦式传感器。常规传感器有着悠久的使用历史和广泛的应用；在大量的使用的过程中，工程人员也积累了许多实际经验，因而仍是目前建构健康监测的主力。但是另一方面，常规传感器在实践过程中也包露出其局限性，主要体现在[1]：
1.点式检测，监测范围小，连续性不好。常规传感器的点式布置方法决定了其在空间分布上的不连续性，这种不连续带有一定的随意性，最危险的部位常常会被遗漏；由于传感器在结构物中不能无限地布设，因而实际检验测试效果要大打折扣。
2.传感器成活率低、稳定性差。常用的传感器多为橡胶导线、金属封装，在恶劣的环境中橡胶老化、金属氧化腐蚀，接触不良、线路断裂更时有发生，导致传感器实际成活率和稳定能力均不高。
3.自动化程度低、覆盖率有限、集成度差。目前工程中很多监测技术实则为检测技术，属于静态观测，而非实时的，这不足以满足工程监测自动、实时的要求。此外，传感器的点式布设方式决定了其覆盖率不会很高，对长达数十公里（隧道）或数十平方公里（大型基建设施）的工程而言，这一方法显得无能为力。
随着现代科技发展，传统的结构健康监测技术也面临着更新换代，现代化的结构健康监测需要新鲜血液的补充。本文旨在介绍近十几年发展迅速的光纤传感技术并着重介绍其在土木工程监测中的应用现状及发展。
光导纤维（Optical Fiber），简称光纤，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。当光纤所处位置的温度、应力等环境条件发生明显的变化时，会引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等特征参量变化，经过测量这些光波量的变化，就可以分析得到相应的温度、应力等物理量的变化，这就是光导纤维传感器的原理[2]。按照是否对测量信号进行调制来划分，光纤传感器可分为非本征型和本征型两类[3]。非本征型管线传感器中光纤只传输信，作用相当于导线，由其他探测装置调制获取信号。本征型光纤传感器不仅传输信号，也起着传感作用。我们一般所说的光纤传感器即是指本征型光纤传感器。其原理如图1所示。
与传统的电信号传感器相比，光纤传感器的主要优点如下[4，5]：1.抗电磁干扰能力强。适用于恶劣环境中的监测工作。2.体积小、质量轻。便于埋入结构内部，对被测结构影响小。3.耐腐蚀。光纤表面涂覆层是由高分子材料组成，抵抗腐蚀能力强，适用于长期监测。4.能实现分布式测量。适用于大体积、长线.灵敏度较高。由于采用了波长调制技术，测量分辨率可达到波长尺度的纳米量级。
目前国际上主流的传感技术包括[6]：基于自里渊散射和受激布里渊散射原理的全分布式光纤传感技术（如BOTDR/BOTDA）、基于拉曼背向散射原理的全分布式光纤传感技术（如ROTDR）、基于瑞利散射的全分布式光纤传感技术（如OFDA）以及基于布拉格光纤光栅的准分布式光纤传感技术（如FBG）等。国际上光纤传感器的研究与应用处领头羊的美国和日本，其中美国偏重于军用而日本偏重于民用；此外，在欧洲关于光纤传感器的研究与应用也开展得比较广泛。目前国内发展较成熟、应用较多的是基于自里渊散射BOTDR传感技术和基于布拉格光纤光栅的FBG传感技术。
BOTDR是布里渊光时域反射计（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer）的简称。光在光纤中传输会产生非线性散射，其中布里渊散射的阈值较低，是较为常见的一种非线性散射。布里渊散射同时受温度和应变的影响，当光纤沿线的温度改变或存在轴向应变时，光纤中背向布里渊散射光的频率将发生漂移，而此漂移量与光纤温度及应变的变化呈线性关系，因而经过测量漂移量即可得到光纤沿线温度和应变的分布情况。
FBG是布拉格光栅（Fiber Bragg Gratting）的简称。FBG是利用光敏光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化效应，使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布而得到的。在光纤光栅全长范围内，周期和折射率是均匀的。当待测量（温度或应变等）发生扰动时，光纤光栅的折射率和周期将发生相应的变化，进而使光纤光栅的布拉格反射波长漂移，而通过测取此波长的漂移量就可以获得待测量的变化[9]。
光纤传感技术广泛引入我国是近20年的事，在科研之余，许多学者致力于将这一技术推广到工程应用，并在结构工程、隧道工程、边坡工程、基坑工程等各领域取得了显著的成果。
大型结构工程因其结构与施工的复杂性，常需进行多点监控，传统的传感器布设效率低且存活率差，往往不能得到理想的监测结果。光纤传感器体积小且属于分布式，很适合大型工程项目施工监测。李宏男等[10]采用了不锈钢钢管封装自行研发的FBG应变传感器与温度传感器，并将其埋入一栋5层的钢混结构，监测在在施工全套工艺流程中梁、柱的应变与气温变化。其研究根据结果得出，埋入的FBG传感器可以方便地监测施工全套工艺流程中混凝土结构内部温度与应变的变化，为混凝土结构的健康监测提供详实的依据；并且，用该种方式封装的FBG传感器传感性能良好，成活率高，寿命长，这为光纤传感器在结构内部布设提供了一个良好的思路。
赵鸣等[11]应用FBG进行大体积混凝土基础表面温度和内部最高温度的监测。通过在混凝土内部埋置光纤光栅传感器来对在浇筑以及养护过程中的气温变化进行实时监测，成功预测了基础混凝土中的温度应力，并采取比较有效措施控制了混凝土的最大温差，确保了基础底板混凝土的施工质量。
隧道工程往往工程量大、安全要求高，需要监测的数据量也大，其特殊的监测需求正与光纤传感监测特性相匹配。施斌等[12]在一个隧道工程实例中引入了BOTDR传感监测技术，应用以全分布为主，点测为附的全线布测方案，实现了结构整体变形及局部破损点位变化的监测。此外，通过人为制造1m 长度应变段，验证了监测系统的灵敏性；并通过与室内试验结果的误差比对，验证了精度。
边坡工程最常见、分布广泛，每个边坡工程都有必要进行大量、系统的监测，将光纤传感技术用于边坡工程是物尽其用。基于光纤布拉格光栅研制了原位测斜仪。以原位测斜仪在边坡坐标系中的位置和滑裂面的形状为约束条件，建立最优化数学模型来推求潜在滑裂面的具置。在工程现场安装了近百个光纤光栅传感器，组建了一个光纤传感边坡监测与预警系统，对边坡的加固效果及稳定状态进行了长期监测。监测的主要对象是边坡的变形趋势以及土钉、
抗滑桩的受力性状。施斌[12]等通过室内小比例尺模型试验，分别将光纤植入土工布和土工格栅等柔性复合材料中并一起铺设在边坡模型不同深度处，利用BOTDR监测边坡在外荷作用下的变形特征。
同边坡工程相似，基坑工程分布广泛，监测任务繁重，很适合引入光纤传感监测手段。
在模型试验、管道工程、海堤工程中，基于光纤传感技术的监测手段也被广泛应用。
1.光纤传感技术具有分布式、长距离、实时性、抗干扰性强和耐久性长等特点，具有较高的应变测量精度，是大坝、桥梁、桩基础、基坑、边坡、隧道等工程的一种理想监测技术；
2.文中提及的两种光纤检测技术，FBG适用于模型试验或具体工程关键部位的检测，定位精准；BOTDA/BOTDR适用于大型工程的全线监控。二者结合使用可以建立疏密结合的空间检测网络，即可覆盖室内模型试验、具体工程建设项目节点部位检验测试、以及大型模型或大型工程的全线.光纤传感技术及其应用还有进一步的发展空间，需要大量的理论及实践研究。
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[8]隋海波，施斌等.地质和岩土工程光纤传感监测技术综述 [J].工程地质学报，2008.16（1）：135-143.
[9]孙汝蛟.光纤光栅传感技术在桥梁健康监测中的应用研究 [D].上海：同济大学.2007.
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[12]施斌，徐学军等.隧道健康诊断BOTDR分布式光纤应变监测技术探讨研究 [J].岩石力学与工程学报，2005.24（15）：2622-2628.
