光纤传感器的发展综述★
李文婷 施凤英 查珑珑
【摘 要】摘 要:对光纤传感器的原理、特点及国内外的发展情况作了论述，介绍了在实际测量中的一些具体应用，提出了光纤传感器在轨道交通地铁隧道结构的垂直方向和水平方向的位移及隧道的收敛位移测量的运用前景等，为光纤传感器的深入研究提供了一定的指导。 【期刊名称】山西建筑 【年(卷),期】2011(037)029 【总页数】2
【关键词】关键词:光纤传感器，监测，传感技术
1 研究及实践概况
1．1 研究概况
随着科学和技术的飞速进步和经济的持续增长，当今现代工程结构的材料、结构形式和功能发生了重大变化，正在向超大化、复杂化、自动化、连续化、长期化等方向发展。目前还没有一个系统能对上述这些分布式、非线性、强结合、多变量和时变性复杂的系统进行有效监测和预报。早在20世纪80年代初，科学家和结构专家受自然界和生物体进化学习与思考的启发，提出了可根本解决工程结构整个生命周期内安全监控的一条崭新思路——智能材料与结构概念:使结构系统能像生物体一样，通过某种“感觉”而以预警、自适应调整、自修复等方式，预报以至消除危害性“病兆”，从而极大地提高关键工程结构构件的安全性和可靠性，为了解决这类问题，人们将传感器埋入使用阶段的结构中，发展出在线监测技术，赋予了结构的自感知功能，实现了智能土木结构的初级
层次。人们又在在线监测的基础上结合了监测数据的智能处理机制，例如数据融合等技术，使得结构进一步具有了自诊断、自推理的能力。
近三十年来，随着控制工程的发展，多种驱动材料开始融入土木结构。利用自动控制机制，根据自诊断的结果，由耦合在结构中的驱动系统做出必要的反应，实现智能控制，达到智能土木结构的第三层次［1］。1978 年，加拿大 K．O．Hill等人［2］发现含锗光纤，观察到入射光和反射光在光纤内部形成干涉条纹能够导致纤芯折射率沿光纤轴线周期性变化，发现光纤中的光致光纤效应，并研制出世界上第一根Bragg光栅光纤。1989年，GMelt等人发明了紫外侧写入技术，不仅提高了光纤的写入效率而且可以通过变化两束相干光的夹角，改变Bragg光栅的周期，控制光纤Bragg波长。 1．2 光纤材料的实践概况
光纤材料的应用研究为土木工程领域注入了新的活力和内容，目前的应用研究集中以下方面的研究:
大型结构的应力、应变监测。对其施工及工作状态进行安全性评定的基础。利用光纤传感技术、形状记忆合金的电阻特性，压电材料的压电效应、半导体的压阻效应均可对土木结构的应力、应变实时在线监测。
裂缝探测。土木工程中大量采用钢筋混凝土结构，该类结构损伤的最初表现为混凝土开裂，裂缝可由外荷载或结构变形引起，也可能由混凝土结构内部徐变收缩导致。裂缝的出现不仅影响结构的外观与正常使用，而且严重时危及结构安全。因此，需要通过对裂缝出现位置、发生、发展监测后进行判断。 混凝土收缩应变监测。混凝土固化期间，不均匀的收缩应变是混凝土结构出现裂缝的主要原因之一，这种影响对大体积混凝土(如坝体、基础底板)较为严重，
降低混凝土的整体性，削弱抗渗性能等。光纤传感器能够实时监测混凝土固化过程中的收缩应变，且结构简单、灵敏度高、防水、耐腐蚀。碳纤维混凝土的温敏性可实现材料的温度自监测。
振动监测。重要结构的整体或关键部位的振幅、额率的测量十分必要，传统的电容、电阻式加速度计等抗电磁干扰能力差，光纤传感器能弥补其不足，且具备远程传输功能，压电材料改变状态的变化速率极快，所以研究将其应用于结构振动的主动控制成为压电类智能结构的前沿和热点。
腐蚀监测。钢筋腐蚀是影响结构耐久性的主要原因之一。了解钢筋腐蚀状况，对防止结构耐久性失效引起的工程事故具有重要的意义。
疲劳监测。在疲劳试验中发现疲劳寿命丝(箔)无论是在拉伸或压缩状态下，其体积导电率会随疲劳次数发生不可逆的降低，利用这一特性，即可对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。同样碳纤维混凝土也有相同的疲劳性能。
2 共识
由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125 μm)、重量轻、耐高温性好(工作温度上限可达400℃～600℃)、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达几千米)、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域(如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等)的混凝土组件和结构中，测定其结构的内部应变状态，从而判断结构的安全性［3］。
光纤(Optical Fiber)是光导纤维的简称，20世纪后半叶光纤及光纤通讯技术的
光纤传感器的发展综述
