據(jù)報道，巖土工程的安全問題一直困擾著土木工程施工人員，在我國各類大型基礎(chǔ)工程建設(shè)的施工和運(yùn)管過程中,經(jīng)常遭遇到的自然災(zāi)害和工程事故,從而造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失,甚至使工程提前進(jìn)入了維修期或老化期,給國家和人們造成極大的損失。由于光纖在進(jìn)行傳感與傳輸雙重功能的特殊介質(zhì)時,具備顯著的優(yōu)勢，從而使其在巖土工程量測中有著十分廣闊的應(yīng)用前景，并將是今后巖土測量領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。本文主要是對巖土測量中光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行相關(guān)闡述，希望有助于加深人們對光纖傳感器的理解，進(jìn)而促進(jìn)巖土測量中光纖傳感器技術(shù)的改革與發(fā)展。

　　《巖石學(xué)報》是由中國科協(xié)主管，中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會和中國科學(xué)院地質(zhì)研究所主辦的學(xué)術(shù)性期刊。其辦刊方針是：堅持以創(chuàng)新性、綜合性、前沿性、導(dǎo)向性特色，堅持“百花齊放，百家爭鳴”，依靠和團(tuán)結(jié)全國廣大地學(xué)工作者，探索自然奧秘，開展廣泛而深入的基礎(chǔ)理論研究，促進(jìn)我國地球科學(xué)領(lǐng)域研究和發(fā)展，發(fā)表高水平科研成果，為我國培養(yǎng)和造就大批地學(xué)科研人才。本刊主要報道有關(guān)巖石學(xué)基礎(chǔ)理論的巖石學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科包括巖漿巖石學(xué)、變質(zhì)巖石學(xué)、沉積巖石學(xué)、巖石大地構(gòu)造學(xué)、巖石同們素年代學(xué)和同位素地球化學(xué)、巖石成礦學(xué)、造巖礦物學(xué)等方面的重要基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究成果，同時也刊載綜述性文章、問題討論、學(xué)術(shù)動態(tài)以及書評等。

　　如何開展巖土工程的災(zāi)害風(fēng)險、安全監(jiān)測的科學(xué)評估,有效地預(yù)測災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展的動態(tài)過程,儼然成為當(dāng)今巖土工程施工所急需解決的問題。光纖作為傳感與傳輸雙重功能的特殊介質(zhì),其性能優(yōu)異，例如抗干擾性強(qiáng)、良好的可植入性、實時性以及長期穩(wěn)定性等,使得光纖傳感技術(shù)在巖土工程監(jiān)測工作中得到了廣泛的應(yīng)用,進(jìn)而為巖土工程施工提供大量精確可靠的基礎(chǔ)性測量數(shù)據(jù)。

　　光纖傳感器主要由光導(dǎo)纖維、光源、調(diào)制機(jī)構(gòu)、光傳感器元件和信號處理器等部分組成，其工作原理是根據(jù)光源所發(fā)出的光經(jīng)光導(dǎo)纖維進(jìn)入光傳感元件，然后光傳感元件根據(jù)傳入的光并受到周圍環(huán)境場的影響，發(fā)生相應(yīng)的變化，并將傳感元件測量檢測的參數(shù)調(diào)制成幅度、相伴、偏振等信息，最后利用微處理器進(jìn)行信號處理顯示數(shù)據(jù)。它可以在強(qiáng)電磁干擾、原子輻射、高溫高壓、化學(xué)腐蝕等惡劣條件下使用。

　　一、光纖傳感器的主要類型

　　1、拾光型光纖傳感器

　　此類型光纖傳感器的工作原理是采用特種光纖作為探頭,然后根據(jù)接收到的由被測對象輻射的光或被其散射、反射的光，再作出相應(yīng)的傳輸反應(yīng)。因此,拾光型光纖傳感器又可稱為探頭型光纖傳感器，成本比較低下，屬于性價比比較高的一類傳感器。在現(xiàn)實的應(yīng)用產(chǎn)品中包括輻射式光纖溫度傳感器、光纖激光多普勒速度計等。

　　2、功能型光纖傳感器

　　功能型光纖傳感器在工作過程中不但利用了如具有的某種敏感特性或功能的傳感光纖等的特種光纖，利用了成本較高、靈敏度高、測量準(zhǔn)備的傳感元件，極大地提高了巖土測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在工作過程中，功能型光纖傳感器根據(jù)光纖的傳光性能，探測巖土的各項數(shù)據(jù)信息，當(dāng)巖土的外部環(huán)境發(fā)生變化時,將會使得某段光纖的相對位置和形狀發(fā)生變化,進(jìn)而直接導(dǎo)致光纖某些傳輸特征參量例如波長、光強(qiáng)、相位、頻率以及偏振態(tài)等的改變,在此基礎(chǔ)上功能型光纖傳感器再通過先進(jìn)的檢測技術(shù)和儀器設(shè)備實現(xiàn)對被測對象的測量，并將測量結(jié)果以電信號的形式傳入傳感器，最終將信號轉(zhuǎn)換為巖土測量數(shù)據(jù)顯示出來。該類型的傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，近年來得到廣泛的推廣應(yīng)用。

　　3、非功能型光纖傳感器

　　與拾光型光纖傳感器和功能型光纖傳感器的工作原理不同，非功能型光纖傳感器主要是由傳光的光纖和用來"感知"的其它敏感元件例如光變換器件等構(gòu)成，在工作過程中通過敏感元件探測巖土外部環(huán)境的變化情況,然后根據(jù)所探測的信息轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柮}沖并由普通光纖完成探測信息的傳輸。這類傳感器的主要特點是不需要使用特種光纖及其他特殊技術(shù),是在傳統(tǒng)光纖傳輸?shù)幕�礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可以充分利用現(xiàn)有的光變換器件來提高傳感器的靈敏度,使用方便，運(yùn)作成本較低,很適合當(dāng)前巖土工程的測力計應(yīng)用，也是目前使用量最大的光纖傳感器。

　　二、光纖傳感器的分類方法

　　1、按光纖內(nèi)傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量分

　　包含單模器件和多模器件這兩種，單模器件的纖芯非常細(xì)小，對降低信號的失真和損失程度非常有效;而多模器件則可以用來傳輸更多的光，然而由于其具有多個通道，并對入射光的散射點數(shù)和存在模式色散，容易產(chǎn)生信號失真。

　　2、按光纖與光的作用機(jī)理分

　　該方法可以分為本征型和非本征型這兩類。前者的工作原理是光纖直接與環(huán)境中的光相互作用來調(diào)制光信號，在測量加速度、轉(zhuǎn)速、聲源和振動等方面的應(yīng)用比較普遍;而后者則是將光纖作為傳送和接收光的通道，然后在光纖外部根據(jù)環(huán)境的特征來調(diào)制光信號，適用于測量角度位置、純屬、液位以及溫度等。

　　3、按信號在光纖中被調(diào)制的不同方式分

　　它是根據(jù)傳輸信號在光纖中被調(diào)成的信號類型來劃分，這種類型還可將光纖傳感器分為相伴調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制以及波長調(diào)制等多種不類型。

　　三、傳感技術(shù)的發(fā)展階段

　　研究表明，傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器和智能型傳感器，在不同的發(fā)展階段都有其顯著的特點，本文對其進(jìn)行簡要闡述。

　　1、結(jié)構(gòu)型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器階段主要是以傳感器結(jié)構(gòu)部分變化或結(jié)構(gòu)部分變化后而引起某種場的變化來反映被測量的大小及變化的，傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單，測量操作方便，但是測量效率比較低，并且所測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高。

　　2、物性型傳感器。物性型傳感器是通過構(gòu)成傳感器的某些材料本身的物理特性在被測量的作用下發(fā)生變化，從而將被測量轉(zhuǎn)換為電信號或其他信號輸出。這就需要特殊的傳感器材料，并且對環(huán)境的要求比較苛刻，在測量過程中不利于整體性測量，測量效率不高。

　　3、智能型傳感器。智能型傳感器就是將傳感器與微處理器有機(jī)地結(jié)合成一個高度集成化的新型傳感器，并通過對外部環(huán)境的變化信息進(jìn)行統(tǒng)一的整合分析，與結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器相比，智能型傳感器能瞬時獲取大量測量信息，并能夠?qū)λ�獲取的信息進(jìn)行高效的分析，對所獲得的信息還具有信號處理的功能，極大地提高了使信息的質(zhì)量和測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，智能型傳感器還具備擴(kuò)展功能，能夠與其他先進(jìn)測量儀器相融。例如，目前市場上出售的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器就屬于智能型傳感器，它以嵌入式微處理器為核心，集成了信號處理單元、網(wǎng)絡(luò)接口以及單元傳感單元等使傳感器具備多方面的功能，與其他單一檢測傳感器相比，檢測效率得到明顯的提高，并能夠?qū)崿F(xiàn)從被動檢測向主動進(jìn)行信息處理方向發(fā)展。

　　四、巖土工程量測中光纖傳感器的應(yīng)用分析

　　1、巖土工程測量

　　在巖土工程的測量與監(jiān)測過程中，其主要內(nèi)容涉及到對巖土性狀、相鄰結(jié)構(gòu)等因素(應(yīng)力、壓力、溫度、應(yīng)變、振動等參量)以及周圍環(huán)境及地質(zhì)條件的工程量測。由于這些方面的測量都將直接影響到今后巖土工程施工的質(zhì)量,并能夠為施工提供準(zhǔn)確、可靠的工程數(shù)據(jù)。因此，通常需要建立監(jiān)測系統(tǒng)獲取這些參量的變化,然后根據(jù)測量的數(shù)據(jù)分析巖土體受力狀態(tài)等要素來評價其整體穩(wěn)定性以及可能遭遇到的工程風(fēng)險,預(yù)測預(yù)報可能發(fā)生的工程災(zāi)害，進(jìn)而指導(dǎo)巖土工程施工的順利、有效進(jìn)行。所以,借助專門的測試元件或者專業(yè)的儀器來獲取相關(guān)測量數(shù)據(jù),為巖土工程的整個施工建設(shè)過程提完整、準(zhǔn)確、可靠的施工數(shù)據(jù)是巖土工程量測的主要目的。

　　2、邊坡變形量測

　　1)巖土體變形光纖位移傳感器

　　在巖土工程施工中，通常情況下滑坡變形的總位移都是較大的。盡管巖土體變形的初期其位移比較小,但是隨著變形位移過程的持續(xù)進(jìn)化,位移速率與位移量都可能出現(xiàn)迅速增大的現(xiàn)象。因此,盡可能地將光纖事先安置在波紋管或塑料管內(nèi),將其掩埋在事先開挖好的溝槽或鉆孔內(nèi)，再適當(dāng)?shù)毓嘧⒃�土泥漿。從而避免施工中因為巖土體位移而對光纖造成的破壞。此外，為了增加傳感器對小變形巖土體的敏感度,充分利用微彎測量原理，將套管加工成蛇形狀,并采用膠質(zhì)材料或瀝在套管與光纖之間的縫隙進(jìn)行灌注。而對于對于巖土大變形的量測,需要確保光纖能夠在套管內(nèi)自由滑動,并且不必在光纖與套管間的縫隙進(jìn)行灌注。因為，蛇形光纖位移傳感器的套管不但可以保護(hù)光纖不受破壞,而且增大了光纖與巖土體的接觸面積和長度,形成的微彎變形提高了對巖土體變形的靈敏度和測量精度，當(dāng)施工過程中巖土體遭到破壞或者出現(xiàn)大滑移時,光纖能夠形成宏彎彎曲,進(jìn)而測量巖土體的滑動過程等方面的數(shù)據(jù)。

　　2)邊坡變形位移量測點的布設(shè)原則

　　在斜坡變形中位移是其最直觀的外在表現(xiàn),也是巖土邊坡變形量測和評價邊坡失穩(wěn)破壞的最為重要的參數(shù)。通常情況下,邊坡變形破壞機(jī)制是牽引式滑坡變形位移的敏感部位在其前緣，進(jìn)而推動式滑坡變形位移的敏感部位在其后緣。如果巖土邊坡變形的位移達(dá)到一定程度時,邊坡就可能失穩(wěn)破壞，進(jìn)而影響到巖土工程的施工。因此，在巖土的邊坡變形位移測量中，必須嚴(yán)格遵循地面量測先行,而后深部量測的原則，并且根據(jù)前期的地勘資料,結(jié)合當(dāng)前的施工實際分析和確定出邊坡變形位移的敏感部位和關(guān)鍵部位,進(jìn)而適當(dāng)?shù)剡x擇和布設(shè)位移量測點,以便于及時地獲取滑坡變形信息,進(jìn)而為建立有效的觀測網(wǎng)提供數(shù)據(jù)資源。

　　3、巖土測量的技術(shù)要求

　　作為巖土工程施工安全、保護(hù)周圍環(huán)境的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，巖土工程量測在保證施工建設(shè)安全，提高施工效率等方面是巖土施工過程中不可或缺的重要組成部分。因此，相關(guān)施工單位必須提高巖土測量意識，將巖土工程量測貫穿于整個巖土工程施工管理過程，嚴(yán)格按照相關(guān)程序進(jìn)行，并確保其工作內(nèi)容和選用的技術(shù)依據(jù)必須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。同時，還要選擇合理的設(shè)計量測點及施測方式，選用技術(shù)可靠、先進(jìn)的量測儀器和元件，并由專業(yè)技術(shù)人員施測，將巖土技術(shù)的測量進(jìn)行最優(yōu)化配置，提高巖土測量數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性。此外，巖土測量過程中應(yīng)遵循以特定儀器或?qū)Ｓ脺y試元件獲取定量數(shù)據(jù)的測量為主,現(xiàn)場目測檢查為輔的基本原則，使所量測得的巖土數(shù)據(jù)資料滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，進(jìn)而保證施工測量質(zhì)量和人身設(shè)備安全，并為接下來的巖土工程施工提供可靠、準(zhǔn)確的巖土量測數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高巖土施工技術(shù)水平，并未企業(yè)最終實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益提供可靠保障。

　　五、結(jié)語

　　綜上所述，近年來，隨著光纖測量技術(shù)在巖土測量中的應(yīng)用，極大地促進(jìn)巖土工程測量技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,并且在國內(nèi)外的巖土工程量測中都得到不斷地推廣與使用。由于該技術(shù)尚處于起步發(fā)展階段，各方面的技術(shù)指標(biāo)還不夠完善，在其工程應(yīng)用中還存在著不少問題,但是，從其體現(xiàn)出的應(yīng)用潛能或測量質(zhì)量看來，這并不能影響其在巖土工程量測中的推廣應(yīng)用。此外，隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步,加上計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的更新?lián)Q代加快，低成本、高性能、高效率的光纖傳感系統(tǒng)將會問世，并會越來越多地運(yùn)用于工程實際,必將會極大地推動我國乃至全世界巖土工程量測技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展和技術(shù)革命。

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