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光纤光栅在安全监测领域有哪些应用?

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性,在纤芯内形成空间相位光栅,其作用的实质是在纤芯内形成滤光器或反射镜。

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光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器凭借其无源、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、灵敏度高、精度高、易于分布式组网等独特优势,在安全监测领域得到了广泛应用。以下是一些主要的应用方向:

  1. 结构健康监测:

    • 桥梁监测: 实时监测桥梁关键部位(如主梁、桥墩、索塔、拉索/吊杆)的应变、振动、位移、温度。用于评估桥梁在荷载、温度变化、风振、地震等作用下的性能状态,识别潜在损伤(如裂缝、过度变形),保障通行安全。
    • 大型建筑与构筑物: 监测高层建筑、体育场馆、大型厂房、水坝、隧道等结构的应变、倾斜、沉降、振动。早期发现结构损伤、基础沉降、构件疲劳等问题,预警结构失稳风险。
    • 边坡与地质灾害监测: 监测山体、隧道洞口、矿坑等的地表位移、深部滑动、土体内部应变。用于滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的早期预警。
  2. 火灾安全监测:

    • 电缆隧道、电力设施: 在电缆桥架、高压开关柜、变压器等处布置FBG温度传感器,实时监测线缆接头、电气设备温度分布,精确预警因过载、接头松动、接触不良等引起的过热和火灾隐患。
    • 油气管线及储存设施: 监测油气输送管道、储罐区周围的温度分布异常,提供早期的火灾报警信号。
    • 智能楼宇: 在关键区域(如机房、配电室、设备夹层)部署分布式温度传感系统,实现更可靠的早期火灾探测。
  3. 泄露与渗流监测:

    • 油气管道: 利用FBG传感器感知管道因泄漏引起的温度变化管壁应变异常,并结合声波传感或相位敏感光时域反射技术进行泄漏点定位
    • 水利工程: 监测大坝、堤坝、隧道的渗流和浸润线。通过埋设的FBG传感器测量孔隙水压力变化,评估水工建筑物内部渗流稳定性和防渗效果。
    • 地下储气/液库: 监测围岩应变变化,评估库体完整性,防止泄露。
  4. 周界安防与入侵监测:

    • 将光纤(内嵌FBG传感器)埋设或附在围墙、栅栏上,当有人攀爬、翻越、破坏或试图挖掘地道时,会引起光纤的振动或微应变。FBG系统能感知、定位这些入侵事件,实现广阔区域的低成本、高隐蔽性周界防护,特别适用于机场、军事设施、核电站、重要厂矿边界等。
  5. 电力设施安全监测:

    • 变压器热点温度监测: 将FBG温度传感器直接植入油浸式变压器绕组内部,实时、精确测量最热点温度,避免局部过热引起绝缘老化加速甚至击穿。
    • 发电机定子温度监测: 监测定子绕组和铁芯关键点的温度
    • 高压开关柜温度监测: 监测柜内触头和连接处的接触温度
    • 输电线路覆冰监测: 结合应变、温度、加速度等参数传感器,评估导线覆冰载荷,防止倒塔断线。
  6. 交通基础设施与车辆安全:

    • 轨道监测: 监测轨道钢轨的应变、位移、轨温,探测钢轨断轨、无缝线路爬行、道床沉降等问题。
    • 车辆动态称重: 埋入道路下方,监测通行车辆的轮重、轴重、车速,识别超载车辆,保护道路,也可用于交通流量统计。
    • 航空航天结构健康监测: 监测飞机机翼、机身结构内部的应变、温度、冲击损伤,用于飞行安全评估和维护决策(虽非严格意义的“安全监测”,但关乎飞行安全)。
  7. 施工安全监测:

    • 在隧道掘进、深基坑开挖、大型设备安装等工程中,实时监测支撑结构(桩、锚索、围檩)的应变、受力状态,监测周边土体的位移、变形,确保施工过程的安全可控。

光纤光栅在安全监测中的核心优势总结:

因此,光纤光栅传感器已成为现代安全监测系统中一种可靠、高效、智能的关键传感技术,在诸多关系到人民生命财产和国家重大基础设施安全的领域中发挥不可替代的作用。具体应用方案需要根据被监测对象的具体结构和潜在风险点进行定制化设计。

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