光纤检测技术在地铁工程中的应用

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光纤检测技术是上世纪七十年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介、感知和传输外界信号(被测量)的新型检测技术,具有(准)分布式、长距离、实时性、耐腐蚀、抗电磁、轻便灵巧等优点,因而被广泛应用于航空、航天等领域。自20世纪90年代以来,美国、加拿大、日本、德国及英国等发达国家,纷纷将光纤检测技术应用于大坝、桥梁、电站及高层建筑物等大型民用基础设施的安全检测中,取得了令人鼓舞的进展,展示了光明的前景。光纤传感技术被国际上公认为结构安全检测最有前途、最理想的手段。正因为如此,光纤检测技术也引起隧道结构检测界的广泛重视,成为目前检测技术的研究重点。

1光纤检测的基本原理

1.1光纤及其结构

光纤(opticfiber),光导纤维的简称,一般由纤芯(core)、包层(cladding)、涂敷层(coating)和护套(jacket)构成,是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维。

光纤的一般结构如图1所示。纤芯和包层为光纤结构的主体,对光波的传播起着决定性作用。涂敷层与护套则主要用于隔离杂光,提高光纤强度,保护光纤。在特殊应用场合不加涂敷层与护套,为裸体光纤,简称裸纤。

纤芯直径一般为5~75μm,材料主体为二氧化硅,其中掺杂极微量其他材料,如二氧化锗、五氧化二磷等,以提高纤芯的化学折射率。包层为紧贴纤芯的材料层,其光学折射率稍小于纤芯材料。根据需要,包层可以是一层,也可以是折射率稍有差异的二层或多层。包层总直径一般约100~200μm。包层材料一般也是二氧化硅,但其中微量参杂物一般为三氧化二硼或四氧化二硅,以降低包层的光学折射率。

涂敷层的材料一般为硅酮或丙烯酸盐,一般用于隔离杂光和保护光纤,还能使光纤的机械变形量对某种外来作用量更敏感(增敏作用),或对外来作用量变得不敏感(退敏作用),以获得待测量对光纤的最佳作用。

护套的材料一般为尼龙或其他有机材料,用于增加光纤的机械强度,保护光纤。

1.2光纤传感器及其工作原理

光纤光栅传感器主要用Bragg光纤光栅或其它类型光纤光栅(如长周期光纤光栅、啁啾光纤光栅等)Bragg光纤光栅基本结构如图2所示,纤芯中的条纹代表折射率的周期性变化。所用光纤是一种在纤芯中搀有光敏材料(如锗、硼等)的特殊光纤。紫外曝光会使纤芯的折射率增加。光纤光栅就是利用光敏光纤的这一特性,用位相模板法或全息干涉法用紫外激光器将光栅从光纤侧面写入纤芯的。根据入射光、反射光、透射光及与之相关的能量和动量守恒定律得Bragg的反射波长。光纤传感基本原理图见图3。

1.3光纤检测系统的组成

光纤光栅检测系统主要包括光纤光栅传感器及传感测量两部分。传感测量部分主要包括探测光源即宽带光源或LED、光纤光栅波长分析器、光纤光栅波长和光强的光电接受放大、数据处理、网络控制和传输、计算机显示、输出及储存。

2测试方法及设备

2.1光纤传感器实际应用测试方法

首先根据测试对象(测试参数、测试范围、介质环境等)制作bragg光栅,并进行参数标定,然后将光栅进行套管封装。根据施工方案,将光栅和足够长度的光纤焊接在一起,光栅与传输光纤采用熔接法连接,焊接完毕后进行通光试验,检测连接质量。将光栅粘贴在测试部位,同时应对包层、涂敷层、护套进行粘贴或使用卡子固定。对光栅进行测量,做好标记和记录。

光栅测试根据不同的测试参数,采用不同的检测分析仪,如测量对象的应变量,可采用光纤光栅应变传感测试仪。光纤光栅应变传感测试仪集探测光源、光纤光栅波长分析器、数据处理、网络控制和传输等于一体,可实现监测数据的现场和远程采集,并可对测试数据进行在线分析。

2.2所用设备

2.2.1光纤

见图1。

2.2.2光纤传感器

光纤光栅传感头主要用Bragg光纤光栅或其它类型光纤光栅(如长周期光纤光栅等)。Bragg波长随温度T或应变ε的变化而变化。温度T和应变ε可以是很多不同的物理量(如压力、形变、电流、电压、振动、速度、加速度、流量等等)的函数,故而测量光栅反射波长的变化就可以计算出相应的待测物理量的变化。

目前地下工程中常用的光纤传感器有温度传感器、混凝土应变传感器及钢筋应力传感器。

3地铁工程中的应用

结合国内某暗挖地铁车站隧道,利用光纤检测技术对隧道开挖时的初期支护进行检测,内容主要围绕初支的内力展开,通过对初支的内力监测,探讨隧道初期支护及其周边围岩压力的变化规律。共选取了温度、喷射混凝土应变以及初支钢拱架内力三个项目进行检测。

检测断面及测点布置如图7。

每个断面设计铺设6个钢筋应力计传感器、2个混凝土应变计和1个温度传感器,其中钢筋应力计传感器留有2个冗余。其中每个拱架的外侧(和围岩接触)焊接2个钢筋应力计,位置约在三分之一处;2个混凝土应变计对称埋设在拱顶;温度传感器直接放在边墙上。每个传感器的信号传输光纤都经过熔接,并从初支两边墙引出后进行串连。共埋设了两个断面进行测试比较。

光纤传感器现场焊接及保护情况见图8,隧道现场安装见图9。

断面埋设完毕后,历经两个月的测试,取得了大量的测试数据,在地铁工程中,光纤检测技术取得了成功,达到了较好的效果。

4结论与展望

光纤检测技术以其独特的优势在检测界备受青睐,引入我国仅仅几年时间就在多个领域得到推广应用。本次在城市地铁工程中的成功应用,更显示出光纤传感器测试数据稳定、漂移小等优点,历经三个月地下水侵蚀,未出现因传感器腐蚀而破坏或数据大幅漂移现象。证实了光纤传感器耐腐蚀,能够在恶劣环境下长期监测等特点。在我国地铁建设日新月异的今天,光纤检测技术必将发挥更大的作用。通过本次应用,也发现了在光纤传感器的国产化、标准化、仪器设备的便携化以及现场传感器的保护方面尚有不足,需要进行更多更深的研究。