了解：光纤传感技术在城市地铁工程监测中的应用

xubin · 发表于 2023-8-27 13:59:28

　　光纤传感技术以抗电磁干扰、耐腐蚀、易集成、本质安全、精度高、绝缘等优势，而被人们关注并广度开发。目前，光纤传感技术主要分为分布式光纤传感和点式光纤传感两大类：分布式光纤传感主流技术包括基于拉曼效应的分布式光纤测温（DTS），基于布里渊效应的分布式温度和应变监测（BOTDA、BOTDR），基于瑞利散射效应的分布式光纤振动监测（φ-OTDR[1]、COTDR[2]），基于Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac干涉原理的分布式振动监测、基于瑞利散射的光频域反射计（OFDR）[2]等；点式光纤传感主流技术包括光纤光栅（FBG）、荧光光纤、F-P干涉等。光纤传感技术可以检测的物理量包括温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等。光纤传感应用遍布军事、国防、航天航空、交通运输、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域。但是，目前光纤传感在技术和应用上发展缓慢，甚至是停滞，引发了行业内人士的职业疑惑。因此，有必要对光纤传感进行调研分析。埋深监测站一直是行业的佼佼者，在业内好评如潮，备受大众所青睐。

　　1光纤传感现状技术总结

　　1.1分布式光纤传感技术

　　分布式光纤传感技术主要是基于光纤内的瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射效应，及双路或环路干涉原理。根据国内外当前光纤传感公司产品与工程应用成熟情况调研分析。

　　1.2点式光纤传感技术

　　点式光纤传感技术主要是基于波长调制的光纤光栅（FBG）、基于荧光效应的光纤荧光测温、基于F-P腔干涉原理的系列传感器。

　　2光纤传感应用现状

　　2.1分布式光纤传感

　　分布式光纤传感因其特有的长距离监测、工程施工便宜、精度高等特点，在大型长距离工程项目中应用优势明显。

　　2.2点式光纤传感

　　点式光纤传感在应用中的突出优势是传感端可以随意改变形状、利于集成、灵敏度高、绝缘、本质安全等，该技术在设备集成及局部布点监测方面应用优势明显，由于传感端的灵活设计其应用面也非常广泛。

　　2.3智能化光纤传感系统

　　在现代的光纤传感技术发展潮流中，光纤传感器的智能化主要体现在光纤传感与通信技术及当今成熟的计算机技术的融合。智能化光纤传感系统也在很多新的领域受到广泛关注与应用，例如在智能材料、声发射检测、石油勘探等一些实际工程案列中具有很好的应用。同时在飞机飞行结构的动态监测系统中，智能化光纤传感系统具有对飞机的飞行信号以及进行实时监测的功能。同时基于智能传感器的智能材料还可以应用在汽车工业、航空航天、土木工程以及体育、医疗等行业中，实现参量传感器和地面信号的处理，对信号流量、温度以及压力进行监测，对于工程的安全、高效开展具有十分重要的意义。

　　3光纤传感技术在工程监测中的应用

　　3.1应变传感技术的应用

　　光纤传感技术中分布式光纤传感技术和FBG技术较多利用传感光纤或光纤传感器与被测物同步产生应变进行监测分析。

　　3.1.1分布式应变传感的应用

　　白泥井3#山岭隧道工程利用布里渊光时域反射分布式传感技术（BOTDR）由监测仪器采集原始数据，经过数据投影、扣除基准值和温度补偿等数据处理过程，可获得隧道拱圈结构变形应变数据，分析出隧道拱圈稳定性状况和拱圈截面的衬砌表面发生张拉变形情况，表明BOTDR的分布式优点适用于隧道拱圈变形监测。黄衢南高速公路瑶岭隧道工程，利用布里渊光时域分析分布式传感技术（BOTDA）测到二次衬砌混凝土应变值，分析出二衬表面在监测时间段未出现裂缝等病害且混凝土处于弹性受力阶段，同时建立隧道光纤监测网，实时监测光纤沿线应变数据，实现对隧道二衬结构稳定性评估和预报。BOTDR远程监测系统可对隧道由温度应力引起的应变进行监测，由应变分布曲线峰值处应变计算出温度伸缩缝的变形量，由峰值处以外应变计算出混凝土衬砌整体的收缩状态，同时将光纤应变值计算得到的温度收缩缝变形量与气温变化对比，发现二者存在较好负相关关系，分析原因是随温度降低混凝土收缩造成的，另外还发现BOTDR实测出的伸缩缝变形量与理论值基本一致。分布式光纤可用于监测隧道掌子面前方土体位移变形，随地层位移变形产生变形的传感器会在检测接收光的参数上发生变化，BOTDR测量仪器检测出接受光后传入能够对光纤应变数据进行运算的DPST分析软件，得到分布式光纤的位移信息，串联多个测管上的光纤来组成光纤检测网络，则可取得测点间距连续可调与高频度获取位移量数据的效果。在隧道各监测断面进行分布式光纤应变传感器的全覆盖布设，并提出隧道内横截面收敛检测通过内壁环向应变分布量测来实现的方法，该方法得到的收敛变形与应变分布呈显式线性关系，变形监测精度主要由传感器应变测量精度决定，其次通过有限元算例的计算结果证明了所提方法的正确性。

　　3.1.2光纤光栅应变传感的应用

　　基于穿越北京地铁1#线建设电力管沟工程为背景，在既有线隧道结构变形影响区内布设FBG光纤光栅静力水准传感器，监测出结构沉降随土方开挖长度增大而逐步增大，变形影响区内变形缝的差异沉降最大值在设计值范围内；施工方分析沉降情况对地铁隧道进行千斤顶顶升保证了管沟施工的安全，监测结果表明FBG光纤光栅静力水准传感器可实时监测地铁隧道结构沉降。利用FBG光纤光栅传感器对试运营期一年内的隧道主体结构混凝土应变及变形缝位移进行监测，定期采集数据分析绘制出断面监测值随时间变化曲线，可分析出影响隧道山体段衬砌混凝土应力、轴向变形的主要因素，湖底段混凝土尤其是隧道两侧折板拱段处受环境温度影响很大。结合东各马庄高速公路隧道工程，利用FBG光纤光栅技术对典型断面位移进行分析，得到断面监测点位移-时间曲线和变形速度-时间曲线，分析出隧道为偏压隧道且围岩随时间推移逐渐稳定。利用FBG光纤光栅技术较好的分析出隧道围岩变形量和变形速率开挖关系，围岩稳定性时间等。

　　3.2温度传感技术的应用

　　利用传感光纤或光纤传感器对温度的监测同样是应用的一个重要方面。在沪蓉高速公路隧道工程，应用FBG隧道火灾报警监测系统，由FBG传感器通过光缆将信号传至仪表柜与对应信号处理器连接，信号处理器将信号转换为温度和报警信号，传输至火灾报警控制器最终到达消防计算机，能准确对着火车辆进行报警并确定失火地点。

　　3.3其他传感技术的应用

　　此外，当光纤被振动波作用后会产生弹性变形，导致折射率的改变，最终使后向散射光的光强、相位等物理量发生变化，基于该原理分布式光纤传感技术（OTDR）对系统接收的信号进一步分析，可实现对隧道异常振动和环境振动的监测。石英光纤在透射窗口里传导的近红外光波会被瓦斯气体吸收使得光强减弱，且被测瓦斯气体浓度与光强减弱程度有很好的比例关系，基于此种特性的光纤红外光谱吸收瓦斯气体传感器，由此可测量由于瓦斯气体吸收产生的光强衰减程度，就可得到瓦斯气体浓度。

　　结束语

　　光纤传感技术正在以逐步信息化、网络化和数据化向化工、军事、航空航天和地质工程中得到很好的应用与发展。通过上面的介绍发现，光纤传感技术在我国未来的经济及科技发展中占有十分重要的地位。我国光纤传感器的市场需求是很大的，预计在不久的将来，光纤传感技术会取得很好的发展成绩。