裂纹检测光纤传感器.doc

光纤传感器讨论课
题目：裂纹检测光纤传感器
学号：1*********
：亚博
裂纹检测光纤传感器
关键字：光纤光栅、裂纹检测、损伤检测、结构健康
摘要：如今，光纤传感器在各行各业的应用非常广泛。用于裂缝检测的光纤传感器主要有光纤光栅传感器和分布式光纤传感器。裂纹检测更广义的说是结构健康检测、损伤检测。裂纹检测光纤传感器主要用于钢筋混凝土结构的稳定性，在桥梁、建筑物、隧道、公路等的结构健康及稳定性方面有广泛的应用，也可用于检测沥青路面的裂缝检测。在航空航天工业中，光纤光纤传感器有着重要应用，在先进复合材料制造的航空航天器中，很容易埋入光纤传感器，实现飞行器运行过程中的性能检测。在石油采矿设施的检测方面也有应用。总的来说，分布式光纤传感器在裂纹检测中可以实现全方位、时空性、持久性的检测，具有很大的应用前景，但是目前仍处于研究探索阶段，还有很多问题没有解决。
一．光纤传感器及基本理论
：1989年，美国布朗大学的Mendez等人提出了把光纤传感器用于混凝土结构的检测。之后，很多国家的大量研究人员对光纤传感器在土木工程中的应用做了大量研究工作。传感器可外加于结构表面或嵌入混凝土结构中，从而实现对结构的实时检测。1993年，加拿大Calgary
附近的Bdddington Trail大桥是世界上最早使用光纤传感器进行测量的桥梁之一，使用了贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和碳纤维复合材料筋上的16个光纤光栅传感器，对桥梁结构进行长期监测。我国于2004年2月建成了省第一座光纤传感器监测隧道。
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光纤传感器以二氧化硅作为纤芯材料，光信号作为载体，具有抗电磁干扰、防雷击、防水及耐高温等特点，相比金属传感器具有更好的耐久性；
光纤传感器体积小、重量较轻、便于铺设；
由于光纤传感器集传感与传输于一体，还可对大型建筑物实施长距离、全方位检测；
分布式光纤传感器除具有上述优点外，还可以准确测出光纤沿线个点的应变、温度、损伤等信息。
：目测法、裂缝测宽仪检测、超声波检测、声发射检测、摄影检测法、利用卡尔逊式或弦式测缝计检测等。
目测法是检测者用双眼观察被测物体是否存在裂缝，这种方法耗时长，工作量大，受人为因素影响大，且当被测物体出入危险环境中时，无法使用目测法。裂缝检测仪检测是巡视人员手持检测仪对物体进行测量，这种方法能达到较高精度，但需要知道裂缝位置。超声波法是目前应用最为广泛的无损检测技术，但由于超声波检测需要布设测点，测点不能全面覆盖被测结构，所以很容易发生漏检现象。声发射方法是通过分析被测物体中声发射仪所获得的各种参数来判断材料部的损伤结构，这种方法对正在发生的裂缝进行定位、测宽，但不能随已发生的裂缝进行检测。摄影检测法是通过照相机、红外摄像及放射线等对被测结构表面裂缝状况进行检测。传感仪器检测是利用埋在混凝土部的仪器来检测裂缝，主要采用卡尔逊式、弦式侧缝仪，这种方法可对混凝土变形及裂缝进行长期检测，但属于点式检测，容易发生漏测。
缺点：属于点式测量或人工测量，不能全面反应结构物的裂缝信息，容易发生漏测；需要人工现场实测，耗时耗力，无法实现实时在线分布式测量。优点：测量结果能够达到较好的精度。
：目前针对裂缝检测的分布式传感技术主要分为基于Bragg光纤的分布式传感技术、基于OTDR（光时域反射技术）的分布式传感技术和基于PPP-BOTDA（布里渊光时域分析）的分布式传感技术。这些技术已经得到了广泛的关注和研究，但仍处于试验阶段还不成熟。
（1）基于Bragg光纤的分布式传感技术：通过波分、时分复用技术，将一条光纤的多个不同波长的传感器的信号传输至解调机制。当一束中心波长为λb的光谱光，被光栅反射回一单色光，相当于一个宽带的反射镜。反射光中心波长由下时确定:
---------Bragg波长
--------纤芯的有效折射率
--------光栅间隔或调制周期
环境温度、应力的变化会引起光纤光栅的周期和纤芯折射率，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得相应的温度和应变信息。光纤光栅可以在一根光纤中写入多个光栅，从而实现分布式传感，并且光纤光栅传感器的信息载体是波长，因此，不受光源光强振动、光纤连接及耦合损耗以及光偏振态等因素的影响，抗干扰能力强。
基于OTDR的分布式传感技术：利用OTDA探测沿光纤长度上的光损耗变化来获取裂缝的空间位置变化。
如右图为原理图。将光纤设于混凝土结构上，当混凝土未发生裂缝时，光纤衰减曲线沿长度方向为线性变化。混凝土发生裂缝后，裂缝处光纤会发生局部弯曲，引起局部损耗