分布式光纤传感技术与工程应用研究(8)
2.5.3 BOTDA及其应用
基于BOTDA的分布式光纤传感器利用直流探测光和脉冲泵浦光之间的受激布里渊散射,通过受激布里渊效应对探测光的放大,实现接收信号强度大、测量精度高和宽的动态范围等特性。此外由于测量系统较为简单,因而实现方便。基于检测受激布里渊散射( Stimulated Brillouin Scat tering, SBS)信号的BOTDA技术在长距离及高精度测量上与其他传感技术相比具有明显优势。BOTDA光纤传感系统如图2.8所示。采用1.55μm工作波长的窄线宽激光器,通过3dB耦合器
图2.10 BOTDA光纤传感
将光源分为两路。其中一路光信号由电光调制器(EOM)调制成脉冲光(泵浦光脉冲),经过掺铒光纤放大器(ED-FA)放大后再经隔离器(ISO)进入传感光纤。另一路光信号经EOM2调制后产生频移约为11GHz的光信号。为了获得最大的输出信号和平坦的传输特性,EOM 前需加偏振控制器(PC)进行偏振态的控制。经过调制后的光信号作为探测光进入传感光纤。当泵浦光和探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时,在该区域就会产生布里渊放大效应(即SBS),两光束之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系, 因此,对两路光的频率进行连续调节的同时,通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率,就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差,从而实现温度、应变信息的分布式测量。
2.6 小结
光纤传感技术应用在结构健康监测中，从实验研究到工程实例，经历了一个高速发展的渐进过程。到目前为止，结构健康监测的光纤传感器已经发展成为一个种类繁多、性能优越的传感器类型，但是，作为一门新兴技术，它还有许多有待完善的地方。Li[27]综合分析了目前应用较为广泛的几种光纤传感技术，认为在结构健康监测中还存在以下几个方面的问题：
1. 应变与温度的区分问题（Strain and temperature discrimination），绝大多数光纤传感器都存在应变与温度的交叉敏感问题（cross-sensitivity）。
2. 光纤接入与接出的问题（Ingress and egress problem），脆弱的光纤如何植入混凝土结构中，并对光纤进出结构的接头加以保护，这涉及对光纤监测线路布设的研究。
3. 传感器封装问题（FOS’s package），即在光纤保护与测量之间达到一个平衡，既要保证光纤不受外界恶劣环境的破坏，又不能影响传感器的灵敏性和精确性。
第三章 光纤布设系统研究
3.1 概述
由于工程结构变形的诱因不同，因而其表现形式也各异，为了捕捉各种不同结构所有可能的变形活动，就需要各种不同的光纤布设方式，以适应不同的结构变形模式。
在桥梁、隧道、桩基等工程中，根据所需监测的物理量的性质往往采取一文布设的方式；在边坡、基坑表面的变形监测中，二文监测覆盖面更广，更符合工程监测的；而在对大坝的水化热或者裂缝的监测中，就要求光纤的布设可以形成一个三文的网络对坝体进行全面监测。因此本章根据空间位置关系分三种讨论光纤布设方式。
3.2一文布设
分布式传感光纤的一文布设，是监测结构体的单一方向变形的一种线路布设方式，主要有全面接着、定点接着和形布设方式。
以BOTDR对某隧道工程的监测为例，考虑到隧道结构主要表现为衬砌的表面变形，目前隧道结构健康监测中主要使用这种一文布设方式，主要有全面接着、定点接着和形布设方式。在南京鼓楼隧道和玄武湖隧道中都大量采用[83]，见图3.1.
图3.1. 南京鼓楼隧道光纤监测线路布设示意图
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