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隧道中光纤光栅应用研究

摘要：光纤光栅传感技术是近年来传感技术领域发展的一个新方向,它具有

结构简单轻便、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于组成光纤传感网络等优点,广泛地应

用到隧道监测、航空航天、化学医药、材料工业、水利水电、船舶、煤矿等领域。

本文经过文献调研,针对光纤光栅的应用情况给出综述,结合光纤光栅传感技术的

优势与不足作出讨论。

关键词：光纤光栅传感技术监测系统隧道

1引言

由于地质条件、外界环境、车辆震动等诸多因素的影响，隧道在施工及运营

阶段会出现结构裂缝及损坏、隧道纵向沉降及管径环向收敛变形等病害，危害人

民生命安全影响社会经济活动的正常进行，因此隧道结构健康状况已成为地下交

通安全运营研究中的关键问题之一。传统隧道工程监测大多采用基于电阻式、钢

弦式或电感式等点式传感器，普遍存在监测结果受多因素干扰而精度低、耐久性

差及传导线过多难以布设等缺点，难以满足现代隧道施工监测的要求。光纤布拉

格光栅（FiberBraggGrating，简称FBG）感测技术是近年来兴起的工程监测领域

一类新的监测技术和手段，具有准分布式、精度高、自动化、抗干扰抗腐蚀性强

等特点，十分适用于隧道结构等大型线性工程的实时在线监测。

2研究现状

2.1国外研究现状

光纤传感技术是世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，

以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。近几

年来，在桥梁、大坝、隧道、建筑、公路等岩土工程的安全运行监测中得到了广

泛的应用。光纤光栅是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，

[1]

利用光纤光栅制成多种传感器如温度、应变、应力、加速度、压强等传感器。它

具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。日

本、美国和瑞士的光纤传感器在土木工程中的应用领域相对较广泛，已经从混凝

土的浇筑过程扩展到桩柱、地基、桥梁、大坝、隧道、大楼、地震和山体滑坡等

复杂系统的测量或监测。

2.2国内研究现状

近十几年来，FBG技术在布设形式、温度补偿、数据处理等方面有了较多研

究，使其在隧道主要病害监测方面取得了一些成果。魏广庆等基于FBG在隧道施

工监测中常遇到的封装保护，温度补偿及系统集成3个最为关键技术进行了探讨，

研究出一套可行的解决方案，并在一个在建地铁隧道的支护体监测中得到实际应

用。吴永红等基于FBG传感原理，从系统集成及复用能力优化的角度，探讨波

[2]

分复用传感器设计方法，以及节点传感器结构和灵敏度设计原则与标准，并将提

出的原则等应用于某实际工程光纤监测系统。毛宁宁等为对比不同光纤传感器

[3]

布设方式对光纤应变传递率的影响，分别建立表贴式和埋入式两种光纤与被测结

构的应变传递模型，推导相应的传递系数，通过有限元模型分析验证传递系数的

准确性，并基于埋设长度进行敏感性对比分析。

[4]

3讨论

光纤传感器既是传感器同时又是传输媒介，将所有传感系统的硬件集成到一

根光纤上，采用灵活多样的调制传感技术，测量信号的种类多，几乎可以测量各

种物理、化学等量，实现分布式或者准分布式测量。光纤传感器的损耗极低，适

合于长距离传输和监控，这在一些大型的土木工程结构中尤其重要。相对于传统

电传感器,光纤光栅传感器有以下优点：传感头结构简单、体积小、重量轻、外

形可变,可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等,稳定性、重复性好。与光纤

之间存在天然的兼容性,无电磁干扰,易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠

性高。具有非传导性,对被测介质影响小,又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点,适

合在恶劣环境中工作。轻巧柔软,可以在一根光纤中写入多个光栅,构成传感阵列。

测量信息是波长编码的,所以,光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及

耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响,有较强的抗干扰能力。传感器

的复用作为光纤传感器所独有的技术,能够实现沿光纤铺设路径上分布场的测量。

光纤传感器的优化布置方法还有待进一步研究，即如何在大型工程结构中以

最少的光纤传感器数量来获取尽可能多的信息；同时，光纤传感器埋入的具体问