分布式光纤传感技术与工程应用研究(3)
针对实际工程的需要和目前研究中存在的问题，本文主要以分布式光纤传感技术为研究对象，主要对分布式光纤传感技术及工程应用等进行理论和试验两方面的研究。
论文的主要研究内容包括以下几个方面：
(1)介绍了光纤传感技术特别是分布式光纤传感技术的原理。
(2)介绍了分布式光纤传感技术在工程应用中的布设系统研究。
(3)介绍了分布式光纤传感技术数据处理的方法和具体应用
(4) 详细介绍了分布式光纤传感技术在边坡、堤坝、基坑、隧道、桩、基坑等工程中的应用实例
第二章 分布式光纤传感技术
2.1 概述
光纤传感技术在近年来的飞速发展，一方面由于结构健康监测对新型传感器的需求，另一方面更是由于其优越的物理性能，这主要表现在以下几个方面[27]:
1、耐久性（Long life cycle），硅质材料的光纤寿命很长，不易腐蚀，且拉伸可达5%；
2、耐热性（High temperature endurance），硅质材料的光纤可以在-200至800℃的温度环境下正常工作；
3、适应性（Flexibility），光纤非常柔软轻细，因而可以布设在一些微小的钢结构内，如复合材料；
4、抗电磁型（Immunity to EMI），因而可以长距离传输数据而不受电磁干扰；
5、绝缘性（Electrical isolation），因而可以大量布设而无损于结构；
6、（准）分布式（Quasi-distributed or distributed sensing capacity），因而可以对大型结构进行全面的监测分析；
7、经济性（Economy），与传统的传感器相比更加便宜，且仍然有下降的空间。
作为光纤传感技术的一个分支，分布式光纤传感技术具有以上全部7个特点，由此可见这是一种极具发展前景的传感技术。
2.2 光纤传感技术
光纤传感技术应用非常广泛，本节主要讨论应用在工程监测中的光纤传感器。按照测量方式划分，可以将结构健康监测中的光纤传感技术简单的划分为三类：点式、准分布式、和分布式，见表2.1.
表2.1 纤传感技术简单的划分[27]
传感器 物理量 线性影响 分解度 测量范围 调制方法 固有/外在
点式 珐珀干涉
长标距传感器 应变a
位移 是
是 0.01%标距长度c
0.2标距长度d 10,000με
50m 相位
相位 两者
固有
准分布式 光纤光栅 应变b 是 1με 5000με 波长 固有
分布式 拉曼/瑞利
（OTDR/
ROTDR）
布里渊
（BOTDR/
BOTDA） 温度/应变固有
a 可通过计算测量位移、压力和温度；b 可通过计算测量位移、加速度、压力、相对裂缝和倾角等；c 分解度高达0.1με；d 分解度高达0.2με；e 分解度为5m时最大测量范围为25Km。
2.2.1点式光纤传感器
点式光纤传感器主要以干涉传感器为代表。干涉式光纤传感器是利用光线中光相位受物理影响而发生的变化来反映被测量，属于功能型光纤传感器。光由光源发出，经棱镜分为两束（或多束）频率、偏振方向以及初相位相同的光线，分别进入信号臂和参考臂，由于它们经过不同的路线而存在光程差，因而相遇时会发生干涉，利用这些干涉图像，可以推断出经由信号臂、受外界因素影响而发生改变的光，以此反映被测量。按结构形式按分，干涉式光纤传感器主要分为以下几类：迈克尔逊（Michelson）、马赫—琴特（Mach-Zehnder）、萨古纲克（Sagnac）和珐珀（Fabry-Perot）等[28,29,30]，目前在工程实践中应用最为广泛的主要是珐珀干涉光纤传感器（Fibry-Perot FOS）和长标距光纤传感器（Long Gauge FOS, 简称LGFOG）。