光纖光柵傳感器在建筑施工中的應用研究

樊悅霞

摘 要 光纖光柵傳感器是一種新興的傳感器，文章主要介紹了其傳感原理和特點，分別論述了光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵應變傳感器在建筑施工中的應用場合，介紹了典型的應用實例和各自的工作原理，找到了光纖光柵傳感器在建筑施工應用方面的關鍵技術難點，并對這兩個技術難點提出了解決方案，最后指出了光纖光柵傳感器在建筑施工方面應用的前景和發展方向。

關鍵詞 光纖光柵傳感器；建筑施工；溫度；應變

中圖分類號：TU317 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0076-02

光纖光柵傳感器是光纖傳感技術發展的最新階段，其應用前景十分廣泛。1989年Morey首次報道將光纖光柵用作傳感器，目前光纖光柵傳感器已經成為工程結構狀態監測研究的熱點[1]。

1 傳感器及其在建筑施工中的應用

傳感器是指能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置。建筑施工過程中主要是利用傳感器來獲知施工現場某些特殊結構件的狀態信息，如何利用傳感器對建筑施工過程中的各種有用信息進行檢測，并為施工狀況的評估提供準確而有效的數據信息，是傳感器在建筑施工過程中應用的難點之一。

與傳統的各類傳感器相比，光纖傳感器采用光纖作為傳輸媒質，以光作為敏感信息的載體，具有靈敏度高、電絕緣，抗電磁干擾等特點，而且由于光纖比較柔軟，因此可以制作成多種幾何形狀以適應不同的測量環境；光路具有可彎曲性，便于與計算機聯接；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其他的惡劣環境；近年來，光纖傳感器以其優越的性能逐漸開始在建筑、電力、油氣勘探等領域得到廣泛的應用。光纖傳感器的種類很多，光纖光柵傳感器是其中應用較為廣泛的一種。

2 光纖光柵傳感器的傳感原理

光纖的材料為石英，光纖由纖芯和包層兩部分組成，包在包層外面的涂敷層對脆弱的纖芯和包層起保護作用。通過對纖芯進行摻雜使纖芯折射率n1略高于包層折射率n2，光在纖芯和包層的邊界實現全內反射，可以使光約束在纖芯中傳播。采用相位掩模法、全息曝光法、逐點寫入法等可以在光纖的纖芯內刻制光柵。

光纖光柵最主要的特征就是它的反射光譜的中心波長λB，光纖光柵布拉格方程為：λB=2neffΛ

由此可見，λB由光柵折射率調制周期Λ和光柵的有效折射率neff共同決定，任何與這兩個參量有關的因素都會導致λB的變化。研究發現，溫度和應變的變化都會直接影響這兩個參量，從而引起λB的變化，因此溫度和應變是光纖光柵能夠直接測量的兩個最基本的物理量。

3 光纖光柵傳感器在建筑施工中的應用

1）溫度傳感器。在混凝土施工過程中經常會產生結構裂縫，產生結構裂縫的最主要原因之一是溫度應力，因此在建筑施工中主要用溫度傳感器來檢測大體積混凝土中溫度場的分布，當溫度差值超出預警值時采取相應的措施對大體積混凝土的裂縫進行控制，以便降低裂縫產生的可能性，因此對大體積混凝土的基礎溫度在施工過程中進行連續監測顯得尤為重要，但是溫度計、熱電偶等傳統的測溫手段已經不能滿足長期監測和海量數據采集傳遞的要求。

光纖光柵傳感器的特點使其特別適合埋入大體積混凝土中對基礎溫度進行長期監測，在施工過程中可以及時有效的獲得混凝土的溫度應力信息，將溫度信息上傳到計算機后，通過進一步分析混凝土的應變變形，及時采取相應的應對措施，可以有效地避免裂縫的產生。

光纖光柵的測溫原理為：溫度通過熱膨脹引起光柵折射率調制周期Λ的伸縮，同時通過熱光效應引起有效折射率neff的變化，從而影響光柵反射光譜的中心波長λB。當應變不發生變化，僅溫度變化時λB的變化與溫度之間有較好的線性關系。

2）應變傳感器。光纖光柵應變傳感器在建筑施工方面的應用很多，例如武漢理工大學道路橋梁與結構工程重點實驗室和光纖傳感技術研究中心采用光纖光柵應變傳感器對巴東長江公路大橋施工過程中主梁、索塔控制截面的應力進行了全程跟蹤監測，掌握了大橋施工過程中各個施工階段混凝土中的應力變化情況，保證了施工質量，并為以后完善橋梁結構的設計和施工工藝提供了可靠的依據[2]。某單位采用光纖光柵傳感器對高架橋頂推施工過程進行自動監控，保證了橋梁施工安全和橋梁質量，彌補了用經緯儀或全站儀進行人工監測的缺陷。光纖光柵應變傳感器還用在基坑開挖時的地質預警系統中，用來監控邊坡的穩定，同時還用來檢測樁端質量。

光纖光柵應變傳感器的原理為：應變通過光柵折射率調制周期的伸縮和彈光效應引起光柵反射光譜的中心波長λB的變化，λB與所受的應變有較好的線性關系。

3）其他光纖光柵傳感器的應用。2009年北京供電公司為解放軍總醫院增容時需要穿越地鐵一號線建設電力管溝，施工采用邊開挖、邊頂升的方法，施工時在既有線隧道上安裝了光纖光柵靜力水準傳感器，對施工過程進行實時監測，為防止既有線的沉降起到了良好的效果[3]。

2011年深圳萬科中心進行了斜拉索張拉的施工監測，監測內容包括索力監測、梁柱應變監測以及結構變形監測，最終對監測數據進行的分析結果表明：施工監測系統穩定可靠，可以有效地指導斜拉索的張拉[4]。

4 光纖光柵傳感器在建筑施工中應用的關鍵問題

1）光纖光柵傳感器的安裝與布設。建筑施工現場的檢測環境非常惡劣，這對傳感器的安裝與布設提出了很高的要求，一方面要保證傳感器與建筑結構件充分粘合，使傳感器所測應變與結構件的實際應變相吻合；另一方面還要保證傳感器的使用壽命滿足長期監測的目的。為了避免施工過程對傳感器產生干擾，必須對光纖光柵傳感器進行保護，通常采用特殊材料制作的外殼對傳感器進行封裝，以適應復雜的施工狀況的埋設需要。

2）消除溫度與應變的交叉敏感問題。在分析測溫原理和測量應變的原理時，我們都是假定只有一個參量發生變化，而另一個量保持不變得出的結論。但在實際施工過程中，很多情況下溫度和應變都是同時發生變化的，它們產生的雙重作用對光纖光柵中心波長的影響在精度要求比較高的場合下就不能忽略了，因此必須考慮溫度和應變之間的交叉影響。

當測量溫度時，對光纖光柵傳感器采用特殊的布設方法，使其處于不受力的自由狀態，應變為零，此時只有溫度會導致光纖光柵中心波長的變化，由此可消除應變對溫度的干擾。

當測量應變時，可以將一組光纖光柵溫度傳感器布設在光纖光柵應變傳感器的附近，使其處于同一溫度場中，此時溫度傳感器的中心波長只受溫度變化的影響，而應變傳感器的中心波長同時受到溫度和應變的影響，而且溫度變化對溫度傳感器和應變傳感器的中心波長的影響是相同的，在光纖光柵應變傳感器的波長變化中，扣除溫度傳感器所測到的波長變化，就可以得到應變單獨作用引起的波長變化。

5 發展方向

由于光纖光柵傳感器具有傳統傳感器不可比擬的優勢，因此在建筑施工過程的監測中具有良好的應用前景。從目前的研究狀況來看，可以從以下幾個方面加深對光纖光柵傳感器在建筑施工監測中應用的研究。

1）進一步優化光纖光柵傳感器的布設工藝。

2）研究更好的辦法來消除溫度與應變的交叉敏感問題。

3）在施工時，將光纖光柵傳感器布設在與結構件的內部，使其相互融合，形成智能材料。

4）根據施工過程需要，發揮光纖光柵傳感器的優勢，擴展其在建筑施工過程中的具體應用方向。

參考文獻

[1]李曉光.光纖光柵傳感器在土木建筑中的應用研究[J].山西建筑，2005（20）：70-71.

[2]王佶，南秋明，李躍.光纖光柵傳感技術在特大跨橋梁施工監測中的應用[J].河南科技大學學報：自然科學版，2007（4）：46-49.

[3]白韶紅.光纖光柵靜力水準傳感器在地鐵穿越施工中的應用[J].應用研究，2010（4）：50-53.

[4]朱志榮，張雪峰，滕軍，等.深圳萬科中心斜拉索張拉施工監測[J].工程抗震與加固改造，2011（1）：124-128.

[5]姜德生，梁磊，周雪芳.FBG傳感技術在工程結構監測中的應用[J].傳感器技術，2003（6）：33-35.endprint