分布式光纖傳感器監(jiān)測技術

光纖傳感技術是二十世紀八十年代開始研發(fā)的一種以光為載體，光纖為媒介，集感測與傳輸為一體的高新傳感技術。隨著光纖傳感技術的發(fā)展，光纖傳感技術己不僅僅用于事件的定性監(jiān)測，而是越來越多地用于被測對象在時空上的多參量定量精確測量和監(jiān)測。為了精確描述，本論文中將一律稱之為光纖感測技術，以區(qū)別于一般的只用于事件監(jiān)測的光纖傳感技術。

在光纖感測技術中，全分布式光纖感測技術因其損耗低、全分布式的特點，十分適合于地質(zhì)體和大型工程結構體長距離、大范圍和耐久性等的監(jiān)測要求，因而該類技術一經(jīng)問世，就得到土木工程、巖土工程和地質(zhì)界的廣泛重視和應用，成為地質(zhì)與巖土工程分布式監(jiān)測的重要方法。

所謂分布式監(jiān)測，是指利用光纖內(nèi)部的光學信息獲得光纖外部物理參量在空間和時間上的連續(xù)分布信息，而實現(xiàn)分布式監(jiān)測的一個技術手段就是分布式光纖感測技術（簡稱DFOS）。在DFOS中，光纖不僅可以作為傳感介質(zhì)感知外界物理量，還可以作為傳輸通道傳輸光信息。DFOS利用光纖單向傳輸?shù)奶攸c，把需要監(jiān)測的物理量作為光傳輸位置的函數(shù)，感測被測參量在光纖沿線上的分布與變化情況。將傳感光纖布置在地質(zhì)體內(nèi)部，就象在地質(zhì)體與工程結構體中植上了能感知外界變化的神經(jīng)網(wǎng)絡，感測被測對象相關物理屬性在一維、二維和三維的變化規(guī)律，克服傳統(tǒng)監(jiān)測方式只能點對點監(jiān)測、容易漏檢的劣勢，提高監(jiān)測的范圍。DFOS在大型或超大型工程的整體應變和溫度等的參量監(jiān)測方面更具加適用，如長距離隧道的不均勻沉降監(jiān)測、大面積的地裂縫分布和變形　監(jiān)測、長距離輸油管道泄漏監(jiān)測及大型邊坡變形監(jiān)測等。

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)

目前DFOS按照解調(diào)原理分類主要有：波長調(diào)制型、散射型、偏振型、相位型、微彎型、熒光型等。其中基于光纖布拉格光柵（簡稱光纖光柵或FBG）的準分布光纖感測技術與基于布里淵、拉曼和瑞利散射光的全分布式光纖感測技術，近二十余年來發(fā)展迅猛，并在周界安防、巖土工程、環(huán)保、生物醫(yī)療等眾多領域得到了廣泛的應用，這是因為DFOS具有如下優(yōu)點：
1、分布式測量
可以實現(xiàn)準分布和全分布測量。一根光纖可以準確測出光纖沿線的每個點上的應變、溫度、位移和滲流等十余種多參量信息。如果將傳感光纖布設成網(wǎng)狀，就可以得到被測對象的平面和立體上的分布情況。
2、長距離監(jiān)測
可以實現(xiàn)數(shù)米到數(shù)百公里的長距離連續(xù)測量和監(jiān)控，滿足各類大型基礎工程設施監(jiān)測的需要。

3、監(jiān)測物理量多
光纖感測技術獲得的基本物理量主要有應變、溫度和振動和長度等，據(jù)此，可以通過傳感光纖封裝技術和轉換原理，還可以測量壓強、應力、水位、流速、水分、濕度、流量、電流、電壓、液位、有毒氣體等物理量，應用面十分廣泛。
（４）抗腐蝕性強，耐久性好
作為傳感介質(zhì)的光纖或光纖器件，其材料主要成分為二氧化硅，是本質(zhì)安全的。它具有防雷擊、防水防潮、耐高溫、耐腐蝕等特點，有很好的耐久性。因此，它也適合于環(huán)境比較惡劣場所如強輻射、高腐蝕、易燃易爆等環(huán)境的監(jiān)測。在巖土工程中，常常會遇到地下水和咸水的環(huán)境，因此，傳感光纖的抗腐蝕性可大大提高傳感器的使用壽命。
（５）抗干擾性能強
光纖的材質(zhì)是二氧化硅，像玻璃一樣不受電磁干擾；而且光波光頻較高，相對來說電磁噪聲光頻較低，所以電磁干擾對光波無干擾，對光波無干擾。此外，光波易于屏蔽，只要在護套內(nèi)，外界的光源便無法進入光纖內(nèi)部。
（６）輕細柔初
傳感光纖體積小，重量輕，幾何形狀可塑，匹配性和適應性強，幾乎不影響被測對象的自身性質(zhì)。因此，它十分適用于一些重要構筑物和名勝古跡的監(jiān)測。
（７）測量精度高
光纖感測技術有一大類，包含一個完整技術體系。不同的光纖感測技術具有不同的測量性能。因此，監(jiān)測不同的地質(zhì)體，可選擇不同的光纖感測技術。對于一些測量精度要求高的被測對象，可采用如光纖光柵的感測技術，其測量精度要明顯優(yōu)于同類的常規(guī)機電類傳感器，有的甚至是高出幾個數(shù)量級。
（８）大容量傳輸
由于光纖可以傳輸大容量信息，因此光纖可作為母線，采集和傳輸各種傳感器的信息，來代替笨重的多芯電纜。
此外，光纖感測技術還具有多分復用、光速傳輸、系統(tǒng)集成化等特點，能解決諸多振弦式和電阻式傳感器無法解決的工程監(jiān)測難題。

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