探讨岩土测量中光纤传感器的应用

　　摘要：由于光纤在进行传感与传输双重功能的特殊介质时,具备显著的优势，从而使其在岩土工程量测中有着十分广阔的应用前景，并将是今后岩土测量领域的发展趋势。本文主要是对岩土测量中光纤传感器的应用现状进行相关阐述，希望有助于加深人们对光纤传感器的理解，进而促进岩土测量中光纤传感器技术的改革与发展。

　　关键字：岩土测量；光纤传感器；应用

　　中图分类号：O353.5文献标识码：A文章编号：

　　据报道，岩土工程的安全问题一直困扰着土木工程施工人员，在我国各类大型基础工程建设的施工和运管过程中,经常遭遇到的自然灾害和工程事故,从而造成重大的人员伤亡和财产损失,甚至使工程提前进入了维修期或老化期,给国家和人们造成极大的损失。因此，如何开展岩土工程的灾害风险、安全监测的科学评估,有效地预测灾害发生和发展的动态过程,俨然成为当今岩土工程施工所急需解决的问题。光纤作为传感与传输双重功能的特殊介质,其性能优异，例如抗干扰性强、良好的可植入性、实时性以及长期稳定性等,使得光纤传感技术在岩土工程监测工作中得到了广泛的应用,进而为岩土工程施工提供大量精确可靠的基础性测量数据。

　　光纤传感器主要由光导纤维、光源、调制机构、光传感器元件和信号处理器等部分组成，其工作原理是根据光源所发出的光经光导纤维进入光传感元件，然后光传感元件根据传入的光并受到周围环境场的影响，发生相应的变化，并将传感元件测量检测的参数调制成幅度、相伴、偏振等信息，最后利用微处理器进行信号处理显示数据。它可以在强电磁干扰、原子辐射、高温高压、化学腐蚀等恶劣条件下使用。

　　一、光纤传感器的主要类型

　　1、拾光型光纤传感器

　　此类型光纤传感器的工作原理是采用特种光纤作为探头,然后根据接收到的由被测对象辐射的光或被其散射、反射的光，再作出相应的传输反应。因此,拾光型光纤传感器又可称为探头型光纤传感器，成本比较低下，属于性价比比较高的一类传感器。在现实的应用产品中包括辐射式光纤温度传感器、光纤激光多普勒速度计等。

　　2、功能型光纤传感器

　　功能型光纤传感器在工作过程中不但利用了如具有的某种敏感特性或功能的传感光纤等的特种光纤，利用了成本较高、灵敏度高、测量准备的传感元件，极大地提高了岩土测量数据的准确性和可靠性。在工作过程中，功能型光纤传感器根据光纤的传光性能，探测岩土的各项数据信息，当岩土的外部环境发生变化时,将会使得某段光纤的相对位置和形状发生变化,进而直接导致光纤某些传输特征参量例如波长、光强、相位、频率以及偏振态等的改变,在此基础上功能型光纤传感器再通过先进的检测技术和仪器设备实现对被测对象的测量，并将测量结果以电信号的形式传入传感器，最终将信号转换为岩土测量数据显示出来。该类型的传感器结构紧凑、使用方便、测量数据准确可靠，近年来得到广泛的推广应用。

　　3、非功能型光纤传感器

　　与拾光型光纤传感器和功能型光纤传感器的工作原理不同，非功能型光纤传感器主要是由传光的光纤和用来"感知"的其它敏感元件例如光变换器件等构成，在工作过程中通过敏感元件探测岩土外部环境的变化情况,然后根据所探测的信息转变为信号脉冲并由普通光纤完成探测信息的传输。这类传感器的主要特点是不需要使用特种光纤及其他特殊技术,是在传统光纤传输的基础上发展起来的，可以充分利用现有的光变换器件来提高传感器的灵敏度,使用方便，运作成本较低,很适合当前岩土工程的测力计应用，也是目前使用量最大的光纤传感器。

　　二、光纤传感器的分类方法

　　1、按光纤内传输的模式数量分

　　包含单模器件和多模器件这两种，单模器件的纤芯非常细小，对降低信号的失真和损失程度非常有效；而多模器件则可以用来传输更多的光，然而由于其具有多个通道，并对入射光的散射点数和存在模式色散，容易产生信号失真。

　　2、按光纤与光的作用机理分

　　该方法可以分为本征型和非本征型这两类。前者的工作原理是光纤直接与环境中的光相互作用来调制光信号，在测量加速度、转速、声源和振动等方面的应用比较普遍；而后者则是将光纤作为传送和接收光的通道，然后在光纤外部根据环境的特征来调制光信号，适用于测量角度位置、纯属、液位以及温度等。

　　3、按信号在光纤中被调制的不同方式分

　　它是根据传输信号在光纤中被调成的信号类型来划分，这种类型还可将光纤传感器分为相伴调制、强度调制、频率调制、偏振态调制以及波长调制等多种不类型。

　　三、传感技术的发展阶段

　　研究表明，传感技术的发展经历了三个阶段：结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器，在不同的发展阶段都有其显著的特点，本文对其进行简要阐述。

　　1、结构型传感器。结构型传感器阶段主要是以传感器结构部分变化或结构部分变化后而引起某种场的变化来反映被测量的大小及变化的，传感器内部结构比较简单，测量操作方便，但是测量效率比较低，并且所测量数据准确性不高。

　　2、物性型传感器。物性型传感器是通过构成传感器的某些材料本身的物理特性在被测量的作用下发生变化，从而将被测量转换为电信号或其他信号输出。这就需要特殊的传感器材料，并且对环境的要求比较苛刻，在测量过程中不利于整体性测量，测量效率不高。

　　3、智能型传感器。智能型传感器就是将传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器，并通过对外部环境的变化信息进行统一的整合分析，与结构型传感器和物性型传感器相比，智能型传感器能瞬时获取大量测量信息，并能够对所获取的信息进行高效的分析，对所获得的信息还具有信号处理的功能，极大地提高了使信息的质量和测量数据的准确性。此外，智能型传感器还具备扩展功能，能够与其他先进测量仪器相融。例如，目前市场上出售的网络化智能传感器就属于智能型传感器，它以嵌入式微处理器为核心，集成了信号处理单元、网络接口以及单元传感单元等使传感器具备多方面的功能，与其他单一检测传感器相比，检测效率得到明显的提高，并能够实现从被动检测向主动进行信息处理方向发展。

　　四、岩土工程量测中光纤传感器的应用分析

　　1、岩土工程测量

　　在岩土工程的测量与监测过程中，其主要内容涉及到对岩土性状、相邻结构等因素(应力、压力、温度、应变、振动等参量)以及周围环境及地质条件的工程量测。由于这些方面的测量都将直接影响到今后岩土工程施工的质量,并能够为施工提供准确、可靠的工程数据。因此，通常需要建立监测系统获取这些参量的变化,然后根据测量的数据分析岩土体受力状态等要素来评价其整体稳定性以及可能遭遇到的工程风险,预测预报可能发生的工程灾害，进而指导岩土工程施工的顺利、有效进行。所以,借助专门的测试元件或者专业的仪器来获取相关测量数据,为岩土工程的整个施工建设过程提完整、准确、可靠的施工数据是岩土工程量测的主要目的。

　　2、边坡变形量测

　　1）岩土体变形光纤位移传感器

　　在岩土工程施工中，通常情况下滑坡变形的总位移都是较大的。尽管岩土体变形的初期其位移比较小,但是随着变形位移过程的持续进化,位移速率与位移量都可能出现迅速增大的现象。因此,尽可能地将光纤事先安置在波纹管或塑料管内,将其掩埋在事先开挖好的沟槽或钻孔内，再适当地灌注原土泥浆。从而避免施工中因为岩土体位移而对光纤造成的破坏。此外，为了增加传感器对小变形岩土体的敏感度,充分利用微弯测量原理，将套管加工成蛇形状,并采用胶质材料或沥在套管与光纤之间的缝隙进行灌注。而对于对于岩土大变形的量测,需要确保光纤能够在套管内自由滑动,并且不必在光纤与套管间的缝隙进行灌注。因为，蛇形光纤位移传感器的套管不但可以保护光纤不受破坏,而且增大了光纤与岩土体的接触面积和长度,形成的微弯变形提高了对岩土体变形的灵敏度和测量精度，当施工过程中岩土体遭到破坏或者出现大滑移时,光纤能够形成宏弯弯曲,进而测量岩土体的滑动过程等方面的数据。

　　2）边坡变形位移量测点的布设原则

　　在斜坡变形中位移是其最直观的外在表现,也是岩土边坡变形量测和评价边坡失稳破坏的最为重要的参数。通常情况下,边坡变形破坏机制是牵引式滑坡变形位移的敏感部位在其前缘，进而推动式滑坡变形位移的敏感部位在其后缘。如果岩土边坡变形的位移达到一定程度时,边坡就可能失稳破坏，进而影响到岩土工程的施工。因此，在岩土的边坡变形位移测量中，必须严格遵循地面量测先行,而后深部量测的原则，并且根据前期的地勘资料,结合当前的施工实际分析和确定出边坡变形位移的敏感部位和关键部位,进而适当地选择和布设位移量测点,以便于及时地获取滑坡变形信息,进而为建立有效的观测网提供数据资源。

　　3、岩土测量的技术要求

　　作为岩土工程施工安全、保护周围环境的重要技术环节，岩土工程量测在保证施工建设安全，提高施工效率等方面是岩土施工过程中不可或缺的重要组成部分。因此，相关施工单位必须提高岩土测量意识，将岩土工程量测贯穿于整个岩土工程施工管理过程，严格按照相关程序进行，并确保其工作内容和选用的技术依据必须满足相关的标准和规定。同时，还要选择合理的设计量测点及施测方式，选用技术可靠、先进的量测仪器和元件，并由专业技术人员施测，将岩土技术的测量进行最优化配置，提高岩土测量数据的可靠性、准确性。此外，岩土测量过程中应遵循以特定仪器或专用测试元件获取定量数据的测量为主,现场目测检查为辅的基本原则，使所量测得的岩土数据资料满足相关标准和规定，进而保证施工测量质量和人身设备安全，并为接下来的岩土工程施工提供可靠、准确的岩土量测数据，进而提高岩土施工技术水平，并未企业最终实现经济效益和社会效益提供可靠保障。

　　五、结语

　　综上所述，近年来，随着光纤测量技术在岩土测量中的应用，极大地促进岩土工程测量技术的进步和发展,并且在国内外的岩土工程量测中都得到不断地推广与使用。由于该技术尚处于起步发展阶段，各方面的技术指标还不够完善，在其工程应用中还存在着不少问题,但是，从其体现出的应用潜能或测量质量看来，这并不能影响其在岩土工程量测中的推广应用。此外，随着当今科学技术水平的不断进步,加上计算机网络技术的更新换代加快，低成本、高性能、高效率的光纤传感系统将会问世，并会越来越多地运用于工程实际,必将会极大地推动我国乃至全世界岩土工程量测技术领域的快速发展和技术革命。

　　

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