光纤光栅传感器在建筑施工中的应用研究

樊悦霞

摘 要 光纤光栅传感器是一种新兴的传感器，文章主要介绍了其传感原理和特点，分别论述了光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器在建筑施工中的应用场合，介绍了典型的应用实例和各自的工作原理，找到了光纤光栅传感器在建筑施工应用方面的关键技术难点，并对这两个技术难点提出了解决方案，最后指出了光纤光栅传感器在建筑施工方面应用的前景和发展方向。

关键词 光纤光栅传感器；建筑施工；温度；应变

中图分类号：TU317 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0076-02

光纤光栅传感器是光纤传感技术发展的最新阶段，其应用前景十分广泛。1989年Morey首次报道将光纤光栅用作传感器，目前光纤光栅传感器已经成为工程结构状态监测研究的热点[1]。

1 传感器及其在建筑施工中的应用

传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。建筑施工过程中主要是利用传感器来获知施工现场某些特殊结构件的状态信息，如何利用传感器对建筑施工过程中的各种有用信息进行检测，并为施工状况的评估提供准确而有效的数据信息，是传感器在建筑施工过程中应用的难点之一。

与传统的各类传感器相比，光纤传感器采用光纤作为传输媒质，以光作为敏感信息的载体，具有灵敏度高、电绝缘，抗电磁干扰等特点，而且由于光纤比较柔软，因此可以制作成多种几何形状以适应不同的测量环境；光路具有可弯曲性，便于与计算机联接；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其他的恶劣环境；近年来，光纤传感器以其优越的性能逐渐开始在建筑、电力、油气勘探等领域得到广泛的应用。光纤传感器的种类很多，光纤光栅传感器是其中应用较为广泛的一种。

2 光纤光栅传感器的传感原理

光纤的材料为石英，光纤由纤芯和包层两部分组成，包在包层外面的涂敷层对脆弱的纤芯和包层起保护作用。通过对纤芯进行掺杂使纤芯折射率n1略高于包层折射率n2，光在纤芯和包层的边界实现全内反射，可以使光约束在纤芯中传播。采用相位掩模法、全息曝光法、逐点写入法等可以在光纤的纤芯内刻制光栅。

光纤光栅最主要的特征就是它的反射光谱的中心波长λB，光纤光栅布拉格方程为：λB=2neffΛ

由此可见，λB由光栅折射率调制周期Λ和光栅的有效折射率neff共同决定，任何与这两个参量有关的因素都会导致λB的变化。研究发现，温度和应变的变化都会直接影响这两个参量，从而引起λB的变化，因此温度和应变是光纤光栅能够直接测量的两个最基本的物理量。

3 光纤光栅传感器在建筑施工中的应用

1）温度传感器。在混凝土施工过程中经常会产生结构裂缝，产生结构裂缝的最主要原因之一是温度应力，因此在建筑施工中主要用温度传感器来检测大体积混凝土中温度场的分布，当温度差值超出预警值时采取相应的措施对大体积混凝土的裂缝进行控制，以便降低裂缝产生的可能性，因此对大体积混凝土的基础温度在施工过程中进行连续监测显得尤为重要，但是温度计、热电偶等传统的测温手段已经不能满足长期监测和海量数据采集传递的要求。

光纤光栅传感器的特点使其特别适合埋入大体积混凝土中对基础温度进行长期监测，在施工过程中可以及时有效的获得混凝土的温度应力信息，将温度信息上传到计算机后，通过进一步分析混凝土的应变变形，及时采取相应的应对措施，可以有效地避免裂缝的产生。

光纤光栅的测温原理为：温度通过热膨胀引起光栅折射率调制周期Λ的伸缩，同时通过热光效应引起有效折射率neff的变化，从而影响光栅反射光谱的中心波长λB。当应变不发生变化，仅温度变化时λB的变化与温度之间有较好的线性关系。

2）应变传感器。光纤光栅应变传感器在建筑施工方面的应用很多，例如武汉理工大学道路桥梁与结构工程重点实验室和光纤传感技术研究中心采用光纤光栅应变传感器对巴东长江公路大桥施工过程中主梁、索塔控制截面的应力进行了全程跟踪监测，掌握了大桥施工过程中各个施工阶段混凝土中的应力变化情况，保证了施工质量，并为以后完善桥梁结构的设计和施工工艺提供了可靠的依据[2]。某单位采用光纤光栅传感器对高架桥顶推施工过程进行自动监控，保证了桥梁施工安全和桥梁质量，弥补了用经纬仪或全站仪进行人工监测的缺陷。光纤光栅应变传感器还用在基坑开挖时的地质预警系统中，用来监控边坡的稳定，同时还用来检测桩端质量。

光纤光栅应变传感器的原理为：应变通过光栅折射率调制周期的伸缩和弹光效应引起光栅反射光谱的中心波长λB的变化，λB与所受的应变有较好的线性关系。

3）其他光纤光栅传感器的应用。2009年北京供电公司为解放军总医院增容时需要穿越地铁一号线建设电力管沟，施工采用边开挖、边顶升的方法，施工时在既有线隧道上安装了光纤光栅静力水准传感器，对施工过程进行实时监测，为防止既有线的沉降起到了良好的效果[3]。

2011年深圳万科中心进行了斜拉索张拉的施工监测，监测内容包括索力监测、梁柱应变监测以及结构变形监测，最终对监测数据进行的分析结果表明：施工监测系统稳定可靠，可以有效地指导斜拉索的张拉[4]。

4 光纤光栅传感器在建筑施工中应用的关键问题

1）光纤光栅传感器的安装与布设。建筑施工现场的检测环境非常恶劣，这对传感器的安装与布设提出了很高的要求，一方面要保证传感器与建筑结构件充分粘合，使传感器所测应变与结构件的实际应变相吻合；另一方面还要保证传感器的使用寿命满足长期监测的目的。为了避免施工过程对传感器产生干扰，必须对光纤光栅传感器进行保护，通常采用特殊材料制作的外壳对传感器进行封装，以适应复杂的施工状况的埋设需要。

2）消除温度与应变的交叉敏感问题。在分析测温原理和测量应变的原理时，我们都是假定只有一个参量发生变化，而另一个量保持不变得出的结论。但在实际施工过程中，很多情况下温度和应变都是同时发生变化的，它们产生的双重作用对光纤光栅中心波长的影响在精度要求比较高的场合下就不能忽略了，因此必须考虑温度和应变之间的交叉影响。

当测量温度时，对光纤光栅传感器采用特殊的布设方法，使其处于不受力的自由状态，应变为零，此时只有温度会导致光纤光栅中心波长的变化，由此可消除应变对温度的干扰。

当测量应变时，可以将一组光纤光栅温度传感器布设在光纤光栅应变传感器的附近，使其处于同一温度场中，此时温度传感器的中心波长只受温度变化的影响，而应变传感器的中心波长同时受到温度和应变的影响，而且温度变化对温度传感器和应变传感器的中心波长的影响是相同的，在光纤光栅应变传感器的波长变化中，扣除温度传感器所测到的波长变化，就可以得到应变单独作用引起的波长变化。

5 发展方向

由于光纤光栅传感器具有传统传感器不可比拟的优势，因此在建筑施工过程的监测中具有良好的应用前景。从目前的研究状况来看，可以从以下几个方面加深对光纤光栅传感器在建筑施工监测中应用的研究。

1）进一步优化光纤光栅传感器的布设工艺。

2）研究更好的办法来消除温度与应变的交叉敏感问题。

3）在施工时，将光纤光栅传感器布设在与结构件的内部，使其相互融合，形成智能材料。

4）根据施工过程需要，发挥光纤光栅传感器的优势，扩展其在建筑施工过程中的具体应用方向。

参考文献

[1]李晓光.光纤光栅传感器在土木建筑中的应用研究[J].山西建筑，2005（20）：70-71.

[2]王佶，南秋明，李跃.光纤光栅传感技术在特大跨桥梁施工监测中的应用[J].河南科技大学学报：自然科学版，2007（4）：46-49.

[3]白韶红.光纤光栅静力水准传感器在地铁穿越施工中的应用[J].应用研究，2010（4）：50-53.

[4]朱志荣，张雪峰，滕军，等.深圳万科中心斜拉索张拉施工监测[J].工程抗震与加固改造，2011（1）：124-128.

[5]姜德生，梁磊，周雪芳.FBG传感技术在工程结构监测中的应用[J].传感器技术，2003（6）：33-35.endprint