基于光纖傳感技術的結構檢測技術概述

1 引言

光纖傳感器技術研究最早開始于1977 年，美國海軍研究所開始執行由查爾斯.M. 戴維斯博士主持的Foss(光纖傳感器系統)計劃。早期的光纖傳感器因為存在價格昂貴、技術不夠成熟等問題，在工程上沒有得到廣泛的應用。光纖傳感技術具有極高的靈敏度和精度，良好的抗電磁場干擾能力，高絕緣強度以及耐高溫、耐腐蝕、輕質、柔韌帶等優點。隨著光傳感器技術的發展和工藝水平的提高，光纖傳感器的應用得到了大力推廣，很多國家不遺余力地加大對光纖傳感器的研究力度。近年來光纖傳感器在機械、電子儀器儀表、航天航空、石油、化工、生物醫學、食品等工業領域的生產過程自動控制、在線檢測、故障診斷等方面有著廣泛的應用。

近年來，光纖傳感器由于其獨特的優點而被引入土木工程，廣泛應用于建筑結構應變及橋梁結構健康監測、混凝土力學性能測試及檢測等領域。本文介紹了光纖傳感的基本原理及其應用，對光纖傳感器在土木工程中的應用進行了展望。

2 光纖傳感器基本原理

隨著工藝水平的提高，光纖技術目前相對成熟。光纖傳感器即為應用光纖傳輸的基本原理組合的一個廣電感應系統。通常的光纖傳感系統由光源、光導纖維、光傳感元件，光調制元件和信號處理部分組成[3]。其工作原理如下圖所示：光源發出的光經過光導纖維進入光傳感元件，而在光傳感元件中受到周圍環境場的影響而發生變化的光再進入光調制機構，由其將傳感元件測量的參數調制成幅度、相位、偏振等信息，這一過程稱為光電轉換過程，最后利用微處理器進行信號分析。

如前所述可以看出光纖傳感器的傳感機理和電磁傳感器的傳感機理是相似的，但是光纖傳感器由于其測量信號的載體是激光，其在光導纖維內部傳播，很難受到外界電磁場干擾，因此適合復雜工況下的檢測，且操作方便靈活，信號輸出自動化。

3 光纖傳感器的分類及特點

3.1 光纖傳感器的分類

3.1.1 光纖傳感器的分類有不同的方式

按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。

傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用，同時又是光電敏感元件。由于外界環境對光纖自身的影響，待測量的物理量通過光纖作用于傳感器上，使光波導的屬性(光強、相位、偏振態、波長等)被調制。傳感器型光纖傳感器又分為光強調制型、相位調制型、振態調制型和波長調制型等。

3.1.2 傳光型光纖傳感器

傳光型光纖傳感器是將經過被測對象所調制的光信號輸入光纖后,通過在輸出端進行光信號處理而進行測量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對待測物理量敏感，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據其測量范圍還可分為點式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來檢測大型結構的應變分布，可以快速無損測量結構的位移、內部或表面應力等重要參數。目前用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，Fabry-pero 腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。