光纖傳感器技術(shù)研究最早開始于1977年,，美國(guó)海軍研究所開始執(zhí)行由查爾斯.M.戴維斯博士主持的Foss(光纖傳感器系統(tǒng))計(jì)劃,。早期的光纖傳感器因?yàn)榇嬖趦r(jià)格昂貴、技術(shù)不夠成熟等問題,，在工程上沒有得到廣泛的應(yīng)用,。光纖傳感技術(shù)具有極高的靈敏度和精度，良好的抗電磁場(chǎng)干擾能力,，高絕緣強(qiáng)度以及耐高溫,、耐腐蝕,、輕質(zhì)、柔韌帶等優(yōu)點(diǎn),。隨著光傳感器技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高,，光纖傳感器的應(yīng)用得到了大力推廣，很多國(guó)家不遺余力地加大對(duì)光纖傳感器的研究力度,。近年來光纖傳感器在機(jī)械,、電子儀器儀表、航天航空,、石油,、化工、生物醫(yī)學(xué),、食品等工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制、在線檢測(cè),、故障診斷等方面有著廣泛的應(yīng)用,。

1、光纖傳感器基本原理

        隨著工藝水平的提高,，光纖技術(shù)目前相對(duì)成熟,。光纖傳感器即為應(yīng)用光纖傳輸?shù)幕驹斫M合的一個(gè)廣電感應(yīng)系統(tǒng)。通常的光纖傳感系統(tǒng)由光源,、光導(dǎo)纖維,、光傳感元件，光調(diào)制元件和信號(hào)處理部分組成[3],。其工作原理如下圖所示：光源發(fā)出的光經(jīng)過光導(dǎo)纖維進(jìn)入光傳感元件,，而在光傳感元件中受到周圍環(huán)境場(chǎng)的影響而發(fā)生變化的光再進(jìn)入光調(diào)制機(jī)構(gòu)，由其將傳感元件測(cè)量的參數(shù)調(diào)制成幅度,、相位,、偏振等信息，這一過程稱為光電轉(zhuǎn)換過程,，最后利用微處理器進(jìn)行信號(hào)分析,。

 

        光電感器工作原理

        如前所述可以看出光纖傳感器的傳感機(jī)理和電磁傳感器的傳感機(jī)理是相似的，但是光纖傳感器由于其測(cè)量信號(hào)的載體是激光,，其在光導(dǎo)纖維內(nèi)部傳播,，很難受到外界電磁場(chǎng)干擾，因此適合復(fù)雜工況下的檢測(cè),，且操作方便靈活,，信號(hào)輸出自動(dòng)化。

        2,、光纖傳感器的分類及特點(diǎn)

        光纖傳感器的分類有不同的方式

        按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型,。

        傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用,，同時(shí)又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對(duì)光纖自身的影響,，待測(cè)量的物理量通過光纖作用于傳感器上,，使光波導(dǎo)的屬性(光強(qiáng)、相位,、偏振態(tài),、波長(zhǎng)等)被調(diào)制。傳感器型光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型,、相位調(diào)制型,、振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等。

        傳光型光纖傳感器

        傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過被測(cè)對(duì)象所調(diào)制的光信號(hào)輸入光纖后,通過在輸出端進(jìn)行光信號(hào)處理而進(jìn)行測(cè)量的,，這類傳感器帶有另外的感光元件對(duì)待測(cè)物理量敏感,，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)制的敏感元件才能組成傳感元件,。光纖傳感器根據(jù)其測(cè)量范圍還可分為點(diǎn)式光纖傳感器,、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種,。其中,，分布式光纖傳感器被用來檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以快速無損測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移,、內(nèi)部或表面應(yīng)力等重要參數(shù),。目前用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，F(xiàn)abry-pero腔式光纖傳感器,，光纖布喇格光柵傳感器等,。

        光纖傳感器的特點(diǎn)

        研究和工程應(yīng)用表明光纖傳感器具有如下特點(diǎn)：

        ⑴高靈敏度，抗電磁干擾,。由于光纖傳感器檢測(cè)系統(tǒng)很難受到外界場(chǎng)的干擾,，且光信號(hào)在傳輸中不會(huì)與電磁波發(fā)生作用，也不受任何電噪聲的影響,，由于這一特征,，光纖傳感器在電力系統(tǒng)的檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。

        ⑵光纖具有很好的柔性和韌性,，所以傳感器可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要做成不同的形狀,。

        ⑶測(cè)量的頻帶寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大,。

        ⑷可移植性強(qiáng),，可以制成不同的物理量的傳感器，包括聲場(chǎng)、磁場(chǎng),、壓力,、溫度、加速度,、位移,、液位、流量,、電流,、輻射等。

        ⑸可嵌入性強(qiáng),，便于與計(jì)算機(jī)和光纖系統(tǒng)相連,，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制。

        光纖傳感器土木工程中的應(yīng)用舉例

        隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,，在土木工程領(lǐng)域光纖傳感器得到了廣泛的應(yīng)用,，用來測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測(cè)大型結(jié)構(gòu),、橋梁健康狀況等,，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應(yīng)變傳感器使用。

        光纖傳感器可以黏貼在結(jié)構(gòu)物表面用于測(cè)量,，同時(shí)也可以通過預(yù)埋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測(cè)量。利用預(yù)先埋入的光纖傳感器,，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過程中內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)量,，再根據(jù)荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線斜率，可確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的形成和擴(kuò)展方式,。通過混凝土實(shí)驗(yàn)表明,，光纖測(cè)試的載荷－應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測(cè)試的線性度高。

        在實(shí)際的工程應(yīng)用中要實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)建筑物的全方位,、長(zhǎng)期的檢測(cè)就要解決好光纖傳感器的布設(shè)問題,。為了不至于對(duì)傳感器造成施工損傷破壞，一般可以采用以下方法：①將一金屬導(dǎo)管套在光纖傳感器上,，一起置于混凝土結(jié)構(gòu)中,。混凝土澆筑后,，在混凝土固結(jié)前將金屬導(dǎo)管取出,，這樣光纖光柵傳感器與混凝土很好地固結(jié)在一起，而且不會(huì)因?yàn)闈仓^程損壞傳感器,。②由于鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變也足以反映鋼筋附件的混凝土受力狀態(tài),，可以將光纖光柵傳感器直接粘貼于鋼筋上，或在鋼筋表面開一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽得以保護(hù),，或在建造橋時(shí)把光纖埋進(jìn)復(fù)合筋,。③將光纖光柵直接埋入小型預(yù)制構(gòu)件或者封裝在金屬導(dǎo)管中然后把小型預(yù)制構(gòu)件作為大型構(gòu)件的一部分埋入，外部荷載通過預(yù)制件或金屬導(dǎo)管傳遞到光纖光柵傳感器上,。

        結(jié)語

        光纖傳感器進(jìn)入結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要意義,。光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,，使其能夠方便的應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)和混凝土等各種建筑材料的內(nèi)部應(yīng)力,、應(yīng)變檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè).