光纤传感器在岩土测量中的应用
2011年第21
期
由于岩土工程多数处于复杂的地质条件及恶劣的作业环境中，其构筑物及其施工过程中的安全问题也就相对比较突出。利用传感器监测整个过程是保证岩土工程安全性的重要手段之一，而上个世纪七十年代发展起来的光纤传感器作为其中的一种，与传统的传感器相比更具有优势，因此应用范围越来越广泛。
1．光纤传感器的光导纤维及传光原理
1.1光导纤维
在利用光的完全内反射原理进行光波的传输时，所需的介质就是光导纤维，其结构中有一个折射率为n的细芯，称其为芯子，直径大概几十微米；芯子外有一圈折射率为n’的包皮，其折射率大于细芯折射率，直径约为100-200微米。当光线入射到芯子并射至芯子与包皮的交界面时，在此处光线会有一部分透射，剩下一部分反射。光线在纤维端面中心的入射角比临街入射角要小时，光线就会全反射而不会透射击出界面，从而经过不断反射，光线就可以沿着纤芯向前进行传播。光导纤维数值孔径越大，证明其输入全反射光的入射角范围就越大，并能保证该光波沿着芯子向前进行传播。
1.2光纤传感器工作原理
作为传播光波信号的媒介，光通信技术是最早应用光纤技术的领域，但是在实际的光通信中，却存在一定问题，因为诸如温度、电磁场以及压力和振动等外界因素会影响到光波特性参量，使其相位、振幅以及偏振态等产生变化，所以只需测出参量受外界因素影响的变化关系，就可以利用光特性参量的变化检测出外界因素的变化，光纤传感器基本的工作原理就是如此。通常光纤传感器包括传光型传感器及功能型传感器，下面进行分别研究：
1.2.1传光型传感器
在传光型传感器中，光纤的作用只是传输光波，需要在光纤的端面或者中间部分加装其它的敏感元件，才能组成传感器。其基本原理：待测物理量会导致光纤传输光的光强发生变化，检测光强变化就可以测量出待测物理量。比如反射式位移传感器，其是传光型光纤传感器的一种，它的光源光纤与接收光纤的一头进行合并，构成光纤探头，而另一端则分开，光由光源耦合至光源光纤，再经过光纤的传输被反射至接收光纤，最终光电转换器进行接收。确定了反射表面位置后，所接收的反射光光强会受到光纤探头至反射体距离的影响，跟随其变化而变化。光纤探头与反射片紧紧贴合时，接收器所接收的光强为零；当光纤探头距离反射面越来越远时，光电转换器所接收的光强也逐渐增加，至最大值后会随着二者距离的增加减小，从而形成呈现一定规律性的曲线，可以利用该曲线检测光强即可得出位移量。
1.2.2功能型传感器
光纤本身具备某种敏感特性或者功能，而功能型光纤传感器正是利用光纤自身的这一特点制作而成。光纤在功能型光纤传感器中既是传感媒体又是传输媒体，而按照其测试方法不同，功能型传感器的类型也各不相同。
2.光纤传感器的优点
与传统的传感器比较而言，光纤传感器的传感介质及传导介质有不同：传统传感器采用电作为传感介质，电缆为传导介质；而光纤传感器采用光作为传感介质，光纤为传导介质。正是基于这些不同之处，所以光纤传感器的优势更为突出，例如质量轻、体积小，且柔软容易布设，抗干扰能力强，灵敏度高、稳定性好，且寿命长，可以实时进行在线测量，且测量范围很广，实现传感网络相对容易。
3.光纤传感器在岩土测量中的应用
3.1隧道监测
由于隧道其本质就是支护结合构与围岩所组成的综合体，所以在进行隧道的健康监测过程中，要充分考虑到围岩及支护结构的变形，以及二者间的互相作用。监测隧道的内容主要包括：隧道的围岩变形情况；隧道的周边位移情况；围岩的压力和两层支护间的压力；支护与衬砌的内应力及裁面应力；裂缝的测量；锚杆或者锚索的受力情形等等。我们可以通过工程实例来看下光纤传感器在隧道健康监测中的具体应用：
某隧道出口段位于地质灾害多发的危险地段，四周的围岩相对破碎，容易出现滑坡，在施工时就曾经出现过基础下沉造成侧壁位移及初衬砌被破坏等问题。为了保证隧道的安全，工程人员利用Bor-DR 分布式应变测量技术，对隧道的拱圈截面变形做分布式应变监测。在实际监测时，把一条分布式传感光纤采用连续环绕的方法铺设于隧道拱圈衬砌表面。利用所布设的传感器，工程人员获取了相关的可靠数据，对隧道的受力情况有了全面的了解，起到一定预防保护的作用。此外，对于该隧道应力变化的监测、隧道实际应力的把握以及对隧道的安全状况做出准确的评价均有重要的意义。
3.2在边坡中的应用
地理特征决定了我国是一个泥石流及山体滑坡等自然地质灾害多发的国家，而由于工程建设而导致的滑坡事故也层出不穷，因此监测边坡的稳定性就变得非常必要。利用光纤光栅技术对基坑及边坡进行监测是近几年来快速发展起来的新型监测手段。在受监测区域建立起光纤光栅监测系统，即可进行该区域内部变形以及水平位移和渗压水压力、预应力锚索等多项内容的测量。在基坑工程应用光纤传感器最关键的环节是光纤传感器在基坑结构中的粘贴问题。
某国际大厦的深基坑监测过程中就采用了光纤测量技术，该大厦的主楼地上共60层，地下室为3层，整个建筑的整体高度为260m，场地地面的标高为-0.7m，基坑七楼部分开挖的深度为15m，附楼部分的开挖深度为13.4m，基坑的总面积为104*90m。在基坑的四周布设光纤监测点对土体的深层位移进行监测，并采用传统侧斜管作对比。测试结果显示，采用光纤应变所测得的土体变形曲线，与测斜管所测得的变形曲线相吻合，证明光纤测量的效果比较好，同样适用于测量土体的深层位移。
3.3堤坝监测中的应用
由于堤坝的受力特征相对比较复杂，堤坝工程无论是施工还是使用阶段，均有可能受到渗流、冲刷以及溶蚀或者动融等有害的作用，此外还有受到超标洪水及大地震破坏的可能，因此监测堤坝的健康情形是防止发生堤防事故的必要措施之一。对堤坝进行监测的主要内容包括堤坝内部的渗流及坝体的滑移变形。国外很多水电站都将光纤传感器植入坝体中，对水坝的安全性进行实时的监测。
某堤坝工程中埋入一段长155m的光缆，其敷设于重力坝底部主廊道附近坝块的三个带。首次测量期间可以对整个坝块水化热变化进行连续的监测。经过一个星期后混凝土的量高温度为38℃，坝块的整体温度产生轻微变化，这只是受到混凝土局部并行筑温度的影响。当进入冬季后，混凝土的温度就发生了明显的变化，即其只与混凝土块唯一的自由面到上游侧间的距离相关。可以由光纤温度测量结果看出，混凝土块内部的温度有所降低主要是由于季节性的平均气温下降而造成的，这种作用还伴随着持续的水化热消散。因为坝块下游部分与混凝土自由面的距离比较远，因此混凝土保持38℃的最高温度长达5个月之久。并且所有三个沿着光纤底部的主要廊道冷却效应均非常明显。
正是借助分布式光纤测温技术获取了整个坝块连续温度的数据，从而对混凝土温度的真实公布以及变化曲线的认识更为准确。光纤测温技术所测得的数据与靠近光纤安装的几个温度计的测量值基本相
同，证明光纤测温系统的精度比较高。科
光纤传感器在岩土测量中的应用
孙许静印才凤
（江苏煤炭地质勘探五队江苏镇江212000）
【摘要】本文就光纤传感器的工作原理及其在岩土工程测量中的具体应用进行了详细的讨论。
【关键词】光纤传感器；岩土工程；应用
◇能源科技◇202