摘要：近年来，随着我国城市建设的发展，许多大城市开始修建地铁。变形监测已成为地铁工程的重要环节，它不仅为安全施工提供相关信息和依据，也为工程理论与实践研究提供宝贵的第一手资料。光纤光栅（FBG）传感技术具有精度高、准分布、实时性、耐腐蚀及抗电磁干扰等独特优势，已在众多工程监测领域中得到应用。
关键词：光纤光栅（FBG）；轨道变形监测；FBG传感器
1、FBG 传感原理
光纤Bragg光栅是利用紫外光曝光的方法将入射光的相干场图形写入纤芯，使纤芯的折射率发生周期性变化，使其产生周期性调制，从而在单模光纤的纤芯内形成永久性空间相位光栅。FBG的基本原理是当光栅受到拉伸、挤压及热变形时，检测光栅反射信号的变化。以工程结构的应变监测为例，荷载由结构传递至纤芯的光栅区域，导致光栅区域内栅距发生变化，从而使纤芯的折射率随之变化，进而引起反射波长的变化，通过测量反射波长的变化便可得出被测结构的应变变化。
FBG是一种在由光纤刻制而成的波长选择反射器，其背向反射光中心波长λB与纤芯的有效折射率neff 和刻制的栅距（周长）Λ有关，即
根据光纤光栅传感器原理（图1）可知，该传感器在变形监测中可以测试地基沉降、地面沉降、高层建筑沉降、初支拱架内力、应力应变、实时温度等监测项目。
2、FBG光纤传感系统的应用
① 光纤光栅地面沉降监测
1）周期测试功能：地质灾害监测系统的波长解调与分析模块以用户指定的测试周期连续不断地对监测对象进行数据采集和分析，并且建立测量数据的历时数据库。2）点名测试功能：根据用户指定的测试对象或测试区域，进行快速的定位测试，并且给出数据分析的结果。3）报警监测功能：由用户设置监测对象的被测物理量监测控制值，对监测对象进行超控制值报警或超变化速率报警，将告警信息远程传输到监测中心或者管理人员。4）监测数据分析、远传与组网监测功能。通过对监测数据的分析，进行快速定位。所有的测量数据及数据分析结果都通过数据通信模块传输到监测中心或管理人员。因此监测系统可以根据用户需要来组建区域监测网。
② 光纤光栅锚索内力监测
对预应力锚索、预应力钢绞线进行应变监测，能够对支护结构的预应力损失进行直观的监测。
基于波分复用技术，一根光纤同时串联多个传感器，组成分布式锚索内力监测系统。在应力监测系统中，光纤光栅传感器串联，统一就近接入到控制中心的光纤光栅传感网络分析仪中，该分析仪能够对采集到的数据进行分析、保存和打印等，这样监测人员就能够获取可靠的信息，并且可以采取相应的措施，获得的数据和测试结果就能通过网络传输，达到远程监控的目的。
③ 隧道应变及孔隙水压力监测
隧道结构安全监测的主要内容就是对围岩和支护结构之间的相互作用进行监测，通过监测到的数据可以判断隧道是否稳定、是否符合安全标准，因此对监测围岩和支护之间的相互作用便成为结构安全监测中的重中之重。
1）采用光纤光栅应力传感器监测应变：光纤光栅表面安装式应变计安装在结构表面，监测结构的变形；光纤光栅锚杆应力传感器安装在结构固定的螺杆上，监测围岩与结构之间的相互作用通过有限元分析方法来分析各部位的应变，监测盾构隧道的动态应变。
2）采用光纤光栅渗压计监测围岩的水压：安装在隧道的钻孔内，监测其地下水位、孔隙的水压力、隧道的稳定性。
隧道应变及孔隙水压力监测主要用到的传感器有：光纤光栅表面式应力传感器、光纤光栅锚杆应力传感器以及光纤光栅渗压计。
各个光纤光栅传感器通过光纤与地面的解调仪等设备连接起来，组成光纤光栅监测系统，利用该监测系统，可以实现对各个监测点的应变、应力、压力情况进行监测，从而对隧道结构的质量和稳定性等做出评估和预测。
④ 光纤光栅测温防火监测
电缆表面温度反映了电缆的运行情况，因此监测电缆表面温度可以及时发现和预测电缆异常情况，及时采取措施，避免事故发生。光纤测温防火监测可为电缆温度监测和安全运行提供科学依据。
1）沿隧道架空高压电缆，布设感温光缆，采用捆绑黏合等方式将感温光缆与被测高压电缆紧密结合。2）将感温光缆与分布式光纤测温主机相连。3）通过网络将各个分布式光纤测温主机的数据上传至服务器及工作站，工作站将各个主机的数据处理后传至监控中心。
3、FBG传感器的特点
光纤传感监测系统与传统的电子监测系统相比较，具有传输距离远、衰减小、灵敏度高、抗干扰能力强、探测范围大、跨平台、系统稳定等特点。
① 集传感器和传输于一体，可较容易对大型基础工程（隧道、堤防和边坡等）实现远程自动化监测。
② 传感信号是波长调制，测量信号不受光强波动的影响，具有自参考点，测量的是绝对值。
③ 一根光纤上根据应用要求写入多个不同Bragg 波长的光栅，从光纤一端可实现所有光栅信号的检测。
④ 分布式光纤传感技术采用先进的光学技术，探测出光纤沿线所有位置的温度、应变及振动的变化，实现真正的分布式测量。
⑤ FBG传感器是非金属、绝缘材料，并采用光信号作为载体，具有很高的传感精度，还能够抗电磁干扰、防雷击。此外，外界光的干扰也很难进入光纤，并具有防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点，耐久性更大。
⑥ 体积小、质量小，便于铺设安装。将其埋入结构物中或黏贴于结构物表面具有很好的兼容性，不存在匹配的问题，不会对结构的物理性能造成影响。
总之，扬长避短，充分利用传感器的特点与优势，光纤传感技术应用前景非常广阔。
参考文献：
[1] 魏广庆，施斌，胡盛，等.FBG在隧道施工监测中的应用及关键问题探讨[J].岩土工程学报，2009，31（4）：571-576.
[2] 杨茜.盾构隧道纵向不均匀沉降及实时监测方法研究[D].北京交通大学，2013.
[3] 胡明耀，李川，代云洪，等.水杯式光纤Bragg光栅沉降仪的研究[J].光学技术，2014，40（1）.
[4] 赵星光，邱海涛.光纤Bragg光栅传感技术在隧道监测中的应用[J].岩石力学与工程学报，2007，26（3）：587-593.
[5] 朱红坤，郭师虹.西安地铁盾构施工中地表沉降监测技术的研究[J].陕西建筑，2009（12）.
论文作者:孙会超1,谭龙1,叶惊春2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/17
标签：光纤论文; 光栅论文; 传感器论文; 隧道论文; 应变论文; 结构论文; 应力论文; 《基层建设》2017年第16期论文;