分布式光纤传感技术与工程应用研究(4)
珐珀干涉光纤传感器的工作原理是基于白光干涉（见图4.1），主要用于应变的测量[31]，但经过换算，也可以用于测量压力、位移和温度等物理量。根据这一原理，加拿大ROCTEST公司已经生产出用于不同结构对象（如钢结构、混凝土）、不同测量参数（如应变、位移、温度）和不同型号（如埋入式、粘贴式）的传感器[32]。
图2.1 珐珀干涉光纤应变传感器
长标距光纤传感器是基于低相干性二次Michelson干涉的一种干涉传感器[33,34]，用于测量标距定点之间的平均应变，标距长度在0.2.50之间。其代表产品如瑞士联邦工学院应力实验室开发的SOFO系统[35]，见图2.2，已经广泛应用在结构健康监测的各个方面[36,37,38,39]。
图2.2 SOFO系统组成
2.2.2准分布式光纤传感器
光纤光栅可以串联测量多点应变或温度等物理量，因而是一种准分布式的光纤传感器。光纤光栅的谐振波长对外界环境的变化敏感，因此在结构健康监测中得到了日益广泛的应用。光纤光栅的最初研究主要集中在光纤布喇格光栅（FBG）, 它是对单模掺锗光纤进行紫外光照射后，从而在纤芯内形成折射率沿轴向呈周期性分布，得到一种芯内位相光栅，满足以下方面[41,42,43]：
（2.1）
式中λ为Bragg波长，n为光纤模式的有效折射率， 为光栅栅距周期。
根据光栅理论，当入射光满足Bragg条件时，会在光纤内发生全反射，其反射光谱在Bragg波长λ处出现峰值。而另一方面，写入光纤的光栅栅距周期以及有效折射率n都不是常数，在光栅受到诸如应力、应变和温度等外界因素的影响时， 和n会相应地发生变化，从而改变反射光谱中出现峰值的波长 λ，见图2.3。因此，可以通过监测FBG的反射波长，实现结构的应变和温度监测[44,45,46,47]。
图2.3. 光纤布拉格光栅工作原理示意图
光纤光栅传感器的优点及系统构成与光纤珐珀传感器类似，在某些方面更为优越，当多个不同波长的FBG串联在同一光纤上时[48,49,50]，各个FBG只反射它自己的特定波长的光波，彼此之间互不干涉，因此可以方便地用一个波长检测系统同时检测所有FBG反射的布喇格波长的变化，从而完成光纤光栅传感器的多传感器复用，实现结构应变参量的准分布测量。
由于光纤光栅的优异性能以及准分布式的特点，近年来在建筑物[51,52]、桩基[53,54]、桥梁[55,56,57,58,59]、高速公路[60,61,62]、管道[63]（Kersey 2000）和海底油田开采[64]等方面都有广泛应用。
2.2.3分布式光纤传感器
分布式光纤传感技术是在20世纪70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中应用十分广泛的光时域反射（OTDR）技术的出现而发展起来的。和准分布式光纤传感技术相比，分布式光纤传感技术具有在传感光纤区域内同时获取随时间和空间变化连续分布信息的能力[65]。
分布式光纤传感器由于分辨率高、误差小，正逐渐受到人们的青睐。它不仅具有普通光纤传感器的全部优点，而且充分利用了光纤一文空间连续分布的特点，可以准确的测出光纤沿线上任一点被测量场在时间和空间上的分布信息，能做到对大型基础工程设施的每一个部位像人的神经系统一样进行感知和远程监测和监控，且不需构成回路，具有广阔的应用前景。特别是对于城市煤气管道、城市输电/通信缆线、海底输油/气管道、海底输电/通信缆线、水库水坝、桥梁、隧道、高速公路、大型设施等建筑物的应力温度监测，目前尚未有一种传统传感器能有效完成对这些长距离、分布式系统的传感，而分布式光纤传感器恰好具有这种能力[66]。