摘 要：近十年来，光纤光栅传感技术车成为光纤传感领域发展最为迅速的技术之一，不仅是在系统本身有了长足发展，在应用领域方面也有了较大发展。近年来，国内将光纤光栅传感技术应用于土木工程领域，并取得了一定的进步。文章通过论述光纤光栅传感原理和光纤光柵传感器在土木工程中的应用，对光纤光栅传感技术未来发展趋势提出了展望。
关键词：光纤光栅；传感器；土木工程；应用
光纤光栅传感器作为一种新发展起来的传感技术，不仅具有光纤传感器的体积小、质量轻、耐腐蚀、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、维护费用低等优点，还具有优于其他光纤传感器的地方，如：测量范围大、精度高、抗干扰能力强、稳定性好等优点。将多个光纤光栅，嵌入到一根光纤上，将光纤粘于被测结构上，可以实现同一根光纤的分布式测量，并同时得到几个测量目标的信息。在恶劣环境中使用光纤光栅传感器，能有效避免传统光纤传感器测量模糊等问题。目前，光纤光栅传感器已经应用于各种大型土木工程中，如：桥梁、大坝、大型建筑等。
1 光纤光栅的传感原理
1.1 光纤光栅的原理
光纤材料具有光敏性，外界光子入射时与纤芯相互作用，并引起纤芯的折射率发生永久性变化。光纤光栅就是利用这种特性，射入紫外激光，使光纤纤芯内形成滤光器或反射镜，也就是空间相位光栅（图1所示为光纤光栅传感原理）。其射入的波长必须满足λB=2neffA。其中λB是光栅布拉格波长，neff是纤芯有效折射率，A是光栅周期。由上述公式，我们可以看出，光纤光栅布拉格波长（即反射中心波长）与反向耦合模的有效折射率neff和光栅周期A有关，当外界作用改变这两个参量时，会引起光纤光栅中心波长的改变。（图2为光纤光栅结构及光通过光栅时的能量分配示意图）
1.2 光栅的轴向应变和温度改变
光栅发生轴向应变时，由于弹性变形，光栅周期A将发生改变，并且受光弹效应的影响，纤芯的折射率neff发生想要的变化，进而引起中心波长λB的变化。实验表明，光栅中心波长的改变与光栅应变二者之间成良好的线性关系。
光栅发生温度改变时，热膨胀和热光效应会引起纤芯折射率neff改变，进而引起中心波长λB的变化。实验表明，光栅中心波长的改变与光栅温度的改变二者之间同样呈良好的线性关系。
光栅中心波长的改变量受周期和折射率的影响，要测量λB的变化情况，可通过计算轴向应变和温度改变得出。但在某些情况下，需要将轴向应变和温度改变两个物理量区分开，以便同时或分开测量两个参数。
2 光纤光栅传感器在土木工程中的应用
2.1 应变传感器
与传统传感器相同，光纤光栅传感器可放置于被测物表面，进行应变监测。但不同的是，光纤光栅传感器还可以测量被测物内部物理量。我国学者通过光纤光栅变量传感器的预先埋入，实现对混凝土建筑结构建设过程中内部损伤应变的实时测量，并根据荷载—应变关系曲线，确定建筑结构内部在建设过程中的损伤形成和扩展情况。
光纤光栅传感器是一种较为精密的仪器，而土木工程中混凝土结构施工是粗放型的，二者互相不适应。因此，传感器的布设问题就成为了光纤光栅应变传感器在土木工程中应用的重难点。在实践过程中，施工人员已经摸索出一套行之有效的办法：第一，置于混凝土中。在光纤光栅传感器的外层，套上金属导管，一起放置于混凝土结构中。并在混凝土凝固前，将金属导管取出，使传感器与混凝土凝结在一起。第二，粘贴于原材料中。由于钢筋是混凝土结构的重要原材料，且附件的混凝土受力状态可直接表现在钢筋的应力和应变中，因此，可将传感器置于钢筋中：将传感器直接粘贴于钢筋上；或在钢筋表面开一个小凹槽，将光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽；或将光栅埋入复合筋中。第三，埋入到预制构件中。将传感器埋入小型预制构件中，然后将小型预制构件作为大型构件的一部分埋入。第四，采用封装技术。选择与混凝土膨胀系数较一致的金属导管，并将传感器封装到导管内，外部荷载将通过金属导管传递到应变传感器上。
2.2 温度传感器
光纤光栅温度传感器是将光纤光栅的传感部分和与其材料温度系数相近的金属固定在一起。但在预埋嵌入式温度传感器时必须注意，为避免传感器与结构物一起受力，不能将传感器固定在结构物上。因此，可以将光纤光栅套装在钢管中，并使用环氧树脂将钢管与光纤光栅的一端进行粘结，并封闭套管的一端。如此，温度传感器一端被固定，另一端是自由的。
虽然光纤光栅对轴向应变和温度改变很明感，但限制其应用的也正是这种交叉敏感效应。基体材料受外力、温度的影响，和传感器本身受温度的影响，都成为影响光纤中心波长的变化的因素。因此，在测量时，必须除去温度对参数的影响，才能够有效得出外力对中心波长变化的影响。国内外学者针对这一课题提出了几种解决方法。第一，设置参考光栅。在测量的光纤光栅传感器周围单独放置一个被隔离的传感器作为参考光栅，参考光栅可以和传感器放置在同一光纤之上。第二，采用两个不同波长的（下转第372页）光纤光栅传感器对同一物理量进行测量，所得到的应变响应也是不同的。
2.3 倾角传感器
2000年，Ferdinan等人利用光纤光栅研制出第一个光纤光栅倾角传感器，解决了市面上倾角仪精确度较差、受温度影响较大的问题，并实现了两个传感器之间的温度自补偿。2004年，Yang在摆锤的等强度梁上，对称地贴放两根光纤光栅，通过测量等强度梁的应变，从而计算倾斜角度。
2.4 腐蚀传感器
腐蚀传感器是在光纤Bragg光栅传感器上涂一层金属，并进行预应变的处理。当发生腐蚀时，传感器表面的金属层被腐蚀掉，传感器所感受到的应力将减弱，进而指示腐蚀发生的程度。研究表明：短周期的Bragg光栅传感器在对温度、应力和其他环境参数进行测量时，可以很好得得出有效参数。而长周期的Bragg光栅传感器，由于腐蚀作用，金属层的脱落会导致光纤直径变小，进而影响到光纤波长和折射率的变化。
3 光纤光栅传感器在土木工程中应用和发展趋势的思考
光纤光栅传感器相比传统机电类传感器，在很多性能方面更精密、更准确、更可靠、更稳定。因此，光纤光栅传感器的应用，在土木工程领域倍受青睐。但是传感信号的调解成为限制光纤光栅传感器大量应用的主要障碍。在实际应用中，要从多方面着手研究解决当前存在的困难，从多角度发展光纤光栅传感技术。
第一，光纤光栅解调方法，已经研究或正在研究的很多；但其产品很少，且通常价格较高；要进一步研制出可测更多参数和变量的传感器。
第二，传感器的光源带宽有限，但实际应用中要求光栅的反射谱必须分开、不能重叠，严重限制可复用光栅数目。
第三，进一步加强对波长位移监测技术的研究，进而促进光纤光栅传感技术的发展。
第四，思考如何实现进一步提高测量的范围、准确性和可靠性，如何实现快速、实时的静态、动态测量，如何提高光纤光栅的寿命封装技术水平，如何提高。
第五，在监测时，要根据波长变化和实际环境情况，快速分辨出引起变化的原因，是应力还是温度。
4 结语
虽然我国相对于美国、英国、德国，对于新型光纤光栅传感器的研究较晚，但目前已经取得了较大的发展。光纤光栅传感器由于尺寸小、耐腐蚀、测量范围大、精度高等优点，被广泛应用于各类土木工程结构中。且随着调节技术和成熟和传感器的进一步发展，光纤光栅技术在土木工程领域中的应用将展现出巨大的活力。
参考文献
[1] 崔九学.光纤光栅传感技术在土木工程结构监测中的应用[J].建材发展导向（下），2015（07）：137.
[2] 王秀丽，马润田.大跨度钢管桁架结构全过程现场健康监测研究[J].施工技术，2015，44（02）：54-57.
[3] 程世虎，徐国权.光纤光栅传感技术在露天矿边坡监测的应用[J].铜业工程，2015（04）：45-48.
[4] 吕葆楠.光纤光栅传感器在道路土基监测中的应用[D].大连：大连理工大学，2014.
