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用光纤传感器监测混凝土结构 |
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Aghiad Khadour and Julien Waeytens
Universiteacute; Paris-Est, IFSTTAR, Marne-la-Valleacute; e, France
5.1引言
土木工程结构的监测正在成为一个越来越重要的问题。现有结构的维护和安全运行，以及新建筑结构健康监测（SHM）的新规定，令经济高效和可靠测量系统的需求逐渐增加。历史上，目视检查是监测混凝土结构最常用的技术。根据专家的经验，目视检查可以检测钢筋的结构病理、渗水、裂纹、剥落和腐蚀。然而，目视检查可能不足以查明造成危险或损坏的根本原因。此外，一般的目视检查频率较低；例如，在法国，混凝土桥梁每年大约检查一次。此外，结构的某些部分可能难以接近。因此，需要特定的昂贵设备和策略来观测这些区域。随着传感器技术和数值模拟技术的发展，结构能够进行实时监测和评估。许多点式传感器，如加速度计和伸长计，已经部署于结构监测。大量文献论述了基于振动的损伤识别方法，Doebling等人对此进行了详细的综述。因此，基于传感器的方法可以战略性地用于补充目视查。
近年来，光纤传感器的出现及其商业可用性为SHM工程师提供了新的选择。与传统的传感原理相比，使用光纤作为传感元件具有许多明显的优势。光纤传感器可以多路复用，不受电磁干扰；不导电，体积小，可靠性高，成本低，重量轻，无腐蚀性。它们可用于易燃或爆炸性环境，并可承受高温。
根据待测数量的空间分布，光纤传感器可分为以下四类：
1.点传感器：测量是在空间中的一个点上进行的，但可能使用多个通道来处理多个点。例如Fabry-Perot传感器和单光纤布拉格光栅（FBG）传感器。
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基于技术的分布式光纤传感器场 |
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1000 800 600 400 200 0 |
瑞利散射 其他 干涉测量的 布里渊散射 拉曼散射 布拉格光栅 |
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图5.1光子传感器联盟市场调查报告
2.准分布式或多路传感器：测量的数量是沿着单个光纤电缆在多个固定的离散点上确定的。最常见的例子是多路光纤光栅FBG。
3.集成传感器：平均测量某个空间部分的物理参数，并提供单个值。例如变形传感器，测量一个较长的基准长度上的应变。
4.分布式传感器：重要的参数是用沿着光纤上任意点的空间分辨率测量的。如图所示5.1和5.2，由于分布式光纤传感器的广泛应用，其市场每年都在增长。市场上主要是基于拉曼散射和光纤光栅的分布式温度传感器。光纤传感器以其独特的特性，在广泛的应用领域中占有一席之地。这里我们介绍了基础设施监测的主要应用。
5.2光纤传感器技术概述与分类
在过去的几十年中，电子通信行业利用其在光制导方面的主要性能加速了光纤部署，光电技术的发展使光纤具有制作成本低、传输损小、柔韧性高、体积小、灵敏度高、精度高、复用能力强、遥感能力强、同时传感能力，抗电磁干扰等特点，推动了光纤在传感应用中的广泛研究。
分布式光纤传感器通过光散射现象在光纤的任意点上提供传递
油气井
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基础设施 |
管道 |
分布式光纤传 感器应用
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过程控制 |
风能 涡轮机
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国土安全
军事 |
地热的 |
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船上监测 航空电子
图5.2分布式光纤传感器应用
有关温度、应变和振动的信息。而这主要的挑战是找到一种在合理的测量时间内，以可接受的空间分辨率和良好的灵敏度测量光纤关键结构参数的机制。分布式应变或温度光纤传感器的性能适用于许多需要大面积覆盖、高定位精度的应用，使用标准传感光纤，可嵌入不同结构中，如桥梁、建筑物、水坝、发电机和其他土木工程，以实时报告其内部状态， 基于散射现象（瑞利、布里渊和拉曼）的光纤传感能力已通过使用新的解决方案得到了显著增强，因为它们能够更好地满足最终用户的要求和现场需要。下面，我们简要介绍了光纤内部的散射现象及其研究的主要技术。当光沿着光纤传播时，有几种机制将光子散射回光源并向前。不同的后向散射光谱如图5.3所示。
瑞利散射：由于光纤折射率分布的波动，在光纤中是一个弹性散射过程。因此，散射光具有与入射光相同的波长。在大多数
反斯托克斯组件 Stokes 组件
Rayleigh
Raman Brillouin Brillouin Raman
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T, ε T,ε |
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I |
Delta;nu;b ~ 35 MHz |
88 pm |
Gb |
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(nm)
lambda;0 – Delta;lambda;0 lambda;0 = 1550 lambda;0 Delta;lambda;0
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Frequency (THz) |
Delta;nu;0 ~ 11GHz |
206 193 180
图5.3 用于分布式传感的硅（SiO2）光纤中注入波长为1550 nm的激光散射现象的光谱。
此类系统中，检测到的信号是随时间变动的功率强度或后向散射光的偏振状态。
布里渊散射：是一种非弹性（非线性）散射过程，其中由于光波和声波（斯托克斯射线）之间的相互作用而发生频率偏移。频移在11GHz范围内，通常取决于光纤的温度和应力。利用这种现象设计了一系列光纤传感器来测量光谱或吸收量。动态和分布式传感器可以利用声波的时间调制来完成。
拉曼散射：是一种非弹性（非线性）散射过程，其中电磁能和声能交换。发射频率小于源头的射线，反发射频率高于源头的射线。只有反斯托克斯射线取决于温度，这对计量学很重要。
5.2.1内置分布式光纤传感器
根据光纤传感元件的位置，可以分为两类光纤传感器：外置传感器和内置传感器。一方面，外置传感器用于信息载体，而不用于传感。它们产生的光信号取决于到达传感元件的信息。传感元件可由反射镜、气体或产生光信号的任何其他机构组成。这种传感器用于测量旋转、振动速度、位移、扭转、扭矩和加速度。这些传感器
本征光学光纤传感器
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干涉测量的 传感器 |
分布式 传感器 |
准对称式- 传感器
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微弯传感器
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瑞利散射
布里渊 散射
拉曼 散射
图5.4固有光纤传感器的简化原理分类。
的主要优点是能够到达其他传感器无法到达的地方。
另一方面，内置光纤传感器利用光纤的内部特性将物理或环境变化转化为光信号的强度、相位和频率调制。分布式传感器被认为是固有光学传感器的最佳配置，如图5.4所示。根据瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射的散射机理类型，实际系统中使用的解调技术可分为三类：光时域反射（OTDR）、光频域反射（OFDR）和偏振光时域反射（P-OTDR）。测量参数包括温度、应变和压力。
5.2.2基于光时域反射计（OTDR）的分布式传感器
OTDR最初是为电子通信应用而开发的。这种技术的传感器是分布式传感技术的起点，目前仍然是分布式传感应用中最常用的设备。通常，瑞利散射光被用来测量长光纤的衰减曲线。在光时域反射（OTDR）技术中，脉冲激光器发出的光脉冲发射到光纤中，由于非晶硅纤维材料中的微小不均匀性和杂质，光在光纤中传播时会不断地反向散射。发射端检测到后向散射光功率。检
调制激光器
光耦合器
光纤
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快速检测器 |
数据采集与信号处理器 |
图5.5 OTDR系统示意图
.
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连接器 一对 |
融合 剪接 |
连接器 一对 |
纤维 弯曲 |
机械的 剪接 |
纤维 |
OTDR unit
Attenuation (dB)
Distance (km)
图5.6典型的OTDR记录道
测到的信号随时间呈指数衰减，与光纤中的线性衰减直接相关。与雷达信号检测技术类似，时间信息通过光纤核心的光速转换为距离信息。图5.5给出了OTDR系统的简化示意图，其中包括调制激光器、快速探测器、光耦、数据采集系统和信号处理器。除了光纤损耗信息外，测量的OTDR轮廓还可用于定位断裂、弯曲、连接器；评估拼接；以及通常评估光纤链路的整体质量。图5.6显示了典型的OTDR返回跟踪。考虑到接收后向散射光的时间可以精确测量，从发射端到发射端的距离可以识别出发生后向
散射的光纤截面。
由于接收光的功率随着时间的增加而衰减，因此在信号处理器上，通过分析接收光脉冲与光纤中参考点的时间延迟，可以将后散射光的功率作为距离的函数来测量。近几十年来，利用拉曼和布里渊散射现象开发了分布式传感应用的OTDR技术。拉曼散射最初是在20世纪80年代提出用于传感应用的，而布里渊散射后来被引入，最初是作为一种增强OTDR范围的方法，然后最终用于应变和/或温度监测应用。
布里渊 OTDR是分布式应变传感最强大的工具。由于布里渊 频移取决于光纤的局部应变和温度，传感器配置将决定系统的实际灵敏度。传感器配置的设计应确保传感器与整个光纤长度上的主机结构之间的机械耦合。为了解决温度变化的交叉敏感度，还需要沿着应变传感器安装一根参考光纤。知道无应变光纤的频移可以进行绝对应变测量。为了测量温度，可以使用标准的通信电缆来保护光纤免受机械应变。因此，光纤将保持其非应变状态，并且频率偏移可以明确地分配给温度变化。 基于布里渊散射的类型有两种配置，第一种是基于自发布里渊散射，这是由硅纤维中分子的布朗运动产生的噪声引起的，通常比瑞利散射弱B20分贝，另一种配置是基于受激布里渊散射，这是由于硅纤维材料的电致伸缩效应而发生自发散射的过程 。布里渊光时域反射(B-OTDR) 技术在20世纪90年代得到了验证，该技术可进一步分为其他两种方法：
1. 基于布里渊频移测量的相干检测。
2. 直接检测，重点是强度测量。
相干检测方法，仍然是目B-OTDR系统中最具吸引力和发展最快的方法。
同一时期，日本NTT通信实验室的研究人员展示了第一个基于受激布里渊散射的分布式布里渊散射传感系统，称为布里渊光时域分析（B-OTDA）。1990年证明了在1.2 km传感长度上具有3°C温度分辨率和100 m空间分辨率的分布式温度测量. 1993年，使用类似的测量技术，将传感范围扩大到22 km，其中报告了1°C的温度分辨率和10 m的空间分辨率. 图5.7显示BOTDR和BOTDA系统的典型示意图。对于用于分布式温度传感的拉曼, 自发拉曼后向散射光的强度相对较低，因此使用高数值孔径多模
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