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光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3部分組成，光源發出的光耦合進光纖，經光纖進入調制區，在調治區內，外界被測參數作用于進入調區內的光信號，是其光學性質如光的強度、相位、偏振態、波長等發生變化成為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器而獲得被測參數，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖起保護作用，光纖按材料組成分為玻璃光纖和塑料光纖；按光纖纖芯和包層折射率的分布可分為階躍折射率型光纖和梯度折射率光纖兩種。光纖能夠約束引導光波在其內部或表面附近沿軸線方向向前傳播，具有感測和傳輸的雙重功能，是一種非常重要的智能材料。
2.光纖傳感器的類型及特點
光纖傳感器的類型很多，按光纖傳感器中光纖的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。
傳感型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經被測物理量作用而發生變化的特點，使光波傳導的屬性(振幅、相位、頻率、偏振)被調制。因此，這一類光纖傳感器又分為光強調制型，偏振態調制型和波長調制型等幾種。對于傳感型光纖傳感器，由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。
傳光型光纖傳感器又稱非功能型光纖傳感器，它是將經過被測對象所調制的光信號輸入光纖后，通過在輸出段進行光信號處理而進行測量的。在這類傳感器中，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調治的敏感元件才能組成傳感元件。
3.光纖傳感器的應用
光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經濟的所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環境中使用，解決了許多行業多年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。主要表現在以下幾個方面的應用:
(1)城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松弛、施工應力和動荷載應力從而來評估橋梁短期、施工階段和長期營運狀態的結構性能。
(2)在電力系統，需要測定溫度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等，由于電類傳感器易受強電磁場的干擾，無法在這些場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統不僅具有普通光纖傳感器的優點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點我們可以連續實時測量光纖沿線幾公里內各點的溫度，定位精度可達米的量級，測溫精度可達1度的水平，非常適用于大范圍多點測溫的應用場合。
(3)在石油化工系統、礦井、大型電廠等，需要檢測氧氣、碳氫化合物、CO等氣體，采用電類傳感器不但達不到要求的精度，更嚴重的是會引起安全事故。因此，研究和開發高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實現上述檢測。
(4)在環境監測、臨床醫學檢測、食品安全檢測等方面，由于其環境復雜，影響因素多，使用其它傳感器達不到所需要的精度，并且易受外界因素的干擾，采用光纖傳感器可以具有很強的抗干擾能力和較高的精度，可實現對上述各領域的生物量的快速、方便、準確地檢測。目前，我國水源的污染情況嚴重，臨床檢驗、食品安全檢測手段比較落后，光纖傳感器在這些領域具有極好的市場前景。
(5)醫學及生物傳感器。醫學臨床應用光纖輻射劑量計、呼吸系統氣流傳感系統;圓錐形微型FOS測量氧氣濃度及其他生物參數;用FOS探測氫氧化物及其他化學污染物;光纖表面細胞質?；蚪M共振生物傳感器;生物適應FOS系統應用于海水監測、生化技術、醫藥。
光纖傳感器在實踐中運用到的例子舉不勝舉，這些技術都是多學科的綜合，涵蓋的知識面廣，象光纖陀螺，火花塞光纖傳感器，光纖傳感復合材料，以及利用光纖傳感器對植物葉綠素的研究等等；隨著科技的不斷進步，越來越多的光纖傳感器將面世，它將被應用到生產生活的每一個角落。
4.光纖傳感器的技術發展方向
光纖傳感技術經過20余年的發展也已獲得長足的進步，出現了很多實用性的產品，然而實際的需要是各種各樣的，光纖傳感技術的現狀仍然遠遠不能滿足實際需要。目前，光纖傳感器技術發展的主要方向是。
(1)傳感器的實用化研究。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠對多種物理量進行同時測量。
(2)提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設計復雜的傳感器網絡工程。注意分布式傳感器的參數，即壓力、溫度，特別是化學參數(碳氫化合物、一些污染物、濕度、PH值等)對光纖的影響。
(3)傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這些將是以后傳感器進一步發展的趨勢。
(4)在惡劣條件下(高溫、高壓、化學腐蝕)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的開發和應用。
(5)新傳感機理的研究，開拓新型光纖傳感器。
參考文獻
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關鍵詞：光纖傳感；軍隊人才培養；課程建設與改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0065-04
一、引言
光纖傳感技術是一門基礎理論與工程應用緊密結合、理論與實踐能力并重的系統學科，既要求學員有扎實的光學、電學基礎，又要求學員能夠擺脫課本的束縛、根據實際工程應用靈活運用已學到的知識。為適應這一形勢，2006年以來，我們針對技術類本科生、軍事指揮類本科生、碩士研究生和博士研究生的不同特點和未來適應部隊工作的不同要求，建立了光纖傳感技術系列課程。
作為一門應用學科，“學以致用”是光纖傳感技術系列課程的特色之一。為此，課程建設非常注重學員對課程知識的實踐應用能力培養，在教學實踐中，結合課程特點和授課對象的學習特點，大力推進教學方法與手段的研究改革，在多層次一體化課程體系建設、教學方法與手段改革、創新人才培養、教師隊伍建設等方面取得了較大成績，下面分別進行介紹。
二、光纖傳感技術多層次一體化課程建設
我校早在上世紀90年代就開設了《光纖傳感技術》課程，并作為光纖傳感專業研究生的必修專業基礎課，為培養光纖傳感技術人才起到了不可替代的作用。然而隨著光纖傳感技術在現代化信息戰爭中的應用越來越廣泛，部隊對光纖傳感專業的人才數量和質量要求越來越高。我校原有的只針對研究生展開的《光纖傳感技術》課程已經遠遠不能適應培養部隊所需人才的緊迫要求。從2004年開始我院開始醞釀對光纖傳感技術課程進行深入改革，將授課對象拓展到全校本科生和本院研究生，并從2006年開始實行。經過6年多的系統建設，最終建立起了完備的多層次光纖傳感系列課程。
由于本科生和研究生、本專業和非本專業學員、技術類和軍事指揮類學員的知識基礎和應用方向差異太大，如何科學劃分課程層次、清晰明確課程內容、準確定位課程目標是光纖傳感系列課程建設的重點和難點。
在廣泛調研軍隊需求、不同類別學員的知識積累和興趣及國內外學校同專業的課程設置基礎上，我們建立起了分別面向本科生和研究生、技術類和軍事指揮類、本院專業和全校學員的光纖傳感系列課程。新增了技術類《光纖傳感技術》、軍事指揮類《光纖傳感技術》，面向全校本科生專題研討課《基于虛擬儀器的光纖傳感技術》三門課程，原有針對研究生的《光纖傳感技術》則改為《光纖傳感系統》[1，2]。
（一）建立起針對本院技術類本科生的《光纖傳感技術》課程內容體系，以“扎實廣泛的技術基礎為核心，典型的系統應用為亮點”
考慮到授課學員在學習本課程之前已經在《光纖通信》、《光電檢測技術》等課程中對光纖和光纖器件等有初步了解，在本課程中首先介紹光纖傳感技術的概念和內涵，然后針對光纖傳感系統的特點，介紹光纖、光纖器件、光纖傳感原理和光纖傳感信號解調原理。這四部分內容涵蓋了強度型、偏振型、波長型、相位型和分布式光纖傳感的系統構成、傳感原理和關鍵技術，為光纖傳感基礎知識，具有信息量大、知識點多、覆蓋范圍廣泛的特點；最后以2-3種典型的光纖傳感系統為例，向學員示范在系統中如何對基礎知識進行靈活應用，啟發學員根據學到的基礎知識來分析理解新型光纖傳感系統。
（二）研究生的《光纖傳感系統》課程以“系統應用技術為核心，系統設計為亮點”
與原有的研究生《光纖傳感技術》相比，新的課程內容和標準進行了大幅度的改革，突出“系統應用”，大幅度削減了光纖傳感基礎知識，而是以四大類典型光纖傳感系統為授課重點。課程中的四大類典型光纖傳感系統選取了目前應用最為廣泛或技術難度較高的光纖水聽器系統、光纖陀螺系統、分布式光纖傳感系統和光纖光柵傳感系統，針對每一類對其應用背景、系統組成、系統指標和關鍵技術進行詳細分析，構建課本知識到實際工程應用的技術橋梁。在講解完每一類典型光纖傳感系統后，特別設計了光纖傳感系統設計環節，要求學員以分組的形式，根據特定應用背景設計出光纖傳感系統，闡明系統特色和關鍵技術。
課程調整所面臨的最大難題在于：學習本課程的研究生既包括本校本專業的學員，也包括來自于外院和外校的本科非光信息專業的學員。對于前者，通過本科生階段的《光纖傳感技術》學習已經具備了良好的基礎，在新課程學習中應盡量避免內容重復；對于后者，直接學習典型光纖傳感系統中的關鍵技術存在一定難度，需要對光纖傳感基礎知識進行介紹。為此，在研究生的《光纖傳感系統》課程中，首先設定了3個課時對光纖傳感基礎知識進行回顧和總結，并點明各部分基礎知識所涉及的參考書。同時由于使用了與本科生《光纖傳感技術》課程同一系列的教材，為解決學員基礎參差不齊的難題提供了有效的解決辦法，而面向全校的《基于虛擬儀器的光纖傳感技術》則為畢業于本校其他專業的研究生學員提供了學習本課程的基礎。
（三）軍事指揮類本科生的《光纖傳感技術》課程以“完善學員知識結構為重點，突出軍事應用特色為亮點”，為學員提供裝備相關知識基礎
課程針對軍事指揮類本科學員培訓的主要目標，將軍事指揮類本科生《光纖傳感技術》課程的主要任務確定為拓展軍事指揮類學員的知識面，完善知識結構，了解最新軍用傳感器技術，一方面可以充分發揮我軍現有裝備的作戰效能，另一方面可以掌握外軍作戰手段，有效克敵制勝。課程簡化了基礎知識部分內容，擴充了典型光纖傳感部分，特別是注重光纖水聽器、光纖陀螺和分布式光纖傳感器在軍事中的應用，并拓展光纖水聽器在聲納系統應用中的相關知識，讓學員在進行工作崗位后可以更快的掌握相關裝備的使用和維護。
（四）面向研究生的《虛擬光纖傳感技術》以“引導學員自主學習為核心，激發學員獨立思考為亮點”
課程以光纖傳感技術中相干檢測技術為背景，以虛擬儀器技術為手段，通過一個具體實例為研討對象，讓學員一邊學習新知識，一邊動手做實驗，一邊學會自主學習。課程首先在學員高中已經具備的光學知識基礎上講解干涉型光纖傳感的基本內容，然后引導學員自習LabVIEW虛擬儀器語言，通過研討學習心得讓學員掌握LabVIEW基本知識，最后要求學員利用所學知識和工具完成光纖傳感中一個典型信號處理問題。整個課程以學員自己動手動腦為主，精選了一門易學好用的虛擬儀器語言LabVIEW，使學員可以在四到五次課的時間內學會，并結合光纖傳感技術系列課程的建設成果，讓學員可以在課程上針對典型的干涉型光纖傳感系統進行信號處理實驗，一方面提升了學員的學習的積極性，另一方面加強了學員的自信心，并為學員以后的創新實踐奠定了基礎。
三、教學方法與手段改革
在教學過程中，在教學方法和教學手段上也進行了一系列的改革，使用了大量的新技術、新手段、和新的教學方式。主要體現在以下幾個方面：
（一）充分運用科研成果和虛擬儀器技術的特點，增加了大量的課堂演示實驗環節
在光纖傳感技術系列課程中引入堂演示實驗，對于加深學員對知識的理解效果最為明顯。在課程建設中，充分利用所在實驗室在光纖傳感技術研究上的優勢，在每門課程講授中都加入了1～2個課堂演示實驗。
與專門的實驗課不同，課堂演示實驗的側重點在實驗效果上，通常都是完整的光纖系統，包括光源、光傳輸鏈路、光接收模塊、顯示模塊等等，并注重演示效果。以往的光纖系統雖然功能性明顯，但結構復雜。近年來，課題組所在的實驗室在光纖傳感系統的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便攜式高可靠性的光纖傳感集成模塊在科研項目中得到廣泛應用；這些科研成果的突破使得在課堂上演示一些復雜的光纖傳感系統實驗成為可能[5]。另一方面，由于虛擬儀器技術在光纖傳感技術中的廣泛應用，復雜的信號解調可以通過電腦直觀的顯示在課堂多媒體系統中，“所見即所得”的方式使得課堂演示實驗的效果非常直觀和可信。以研究生的《光纖傳感系統》課程為例，我們選取了光纖光柵應變系統作為課堂演示實驗內容。在硬件上，這套系統的光收發模塊為集成化的便攜式光纖光柵解調儀，采用法蘭盤對接可串接起多個光纖傳感陣列；而復雜的信號解調系統則全部通過虛擬儀器技術在電腦上軟件實現，解調結果直接顯示在電腦程序界面中。通過這套系統，我們完整地演示了光纖傳感器設計、光纖傳輸鏈路構成、復用光纖傳感網絡、和光纖傳感信號解調等多項知識內容，學員普遍反映通過這一演示實驗對光纖傳感系統有了清晰深刻的了解。
（二）借鑒國外大學相關專業的教學模式，在考核中引入小型綜合設計環節，充分考察學員的綜合素質
課題組的兩位教員具有國外留學的經歷，在課程建設中充分參考國外大學在光纖傳感技術課程的教學方法，在作業環節引入小型光纖傳感綜合設計內容，并將其作為課程考核評價標準的一部分，實現對學員綜合素質的培養和考核評價。
光纖傳感綜合設計參考了香港理工大學和英國南安普頓大學的教學經驗，以對知識的綜合運用為主要考察目標。本科生光纖傳感技術采用適當的綜合設計題目難度，重視對知識融會貫通和綜合應用能力的考察，一般在授課過程中只進行1次；研究生除了要求基礎知識綜合應用能力，更注重對實際工程應用系統的完整性和前沿問題的拓展性考察[6]，一般則開設2～3次。綜合設計作業由學員分組完成，小組內成員根據資料調研、方案設計、報告撰寫等工作內容的不同進行明確分工，并推選一位組員參加課堂專門設置答辯環節。
（三）針對授課內容的層次劃分和授課對象的學習特點，科學合理設置研討專題
研討式教學我校近年來大力推廣的教學方式之一。由于光纖傳感技術具有經典與前沿相結合、理論與工程應用相結合的特點，在系列課程建設中，課題組在原有研究生《光纖傳感技術》的研討式專題內容基礎上，進行了深入的思考和大膽的拓展，將課程中的研討專題劃分為三大類：經典理論知識的研討、前沿研究的研討和學位論文研究方法的研討。
經典理論知識的研討要求學員在授課之前對相關內容進行預習，并在課堂上對全體學員講解自己對該問題的理解。如在進行“光纖干涉儀傳感系統”的授課時，要求學員預習時弄明白兩個問題：什么是隨機相位衰落？什么是偏振誘導信號衰落？進行研討時不要求學員對這兩個問題進行深入剖析，但要求學員用精煉的語言闡明問題的物理含義。學員普遍認為這種研討專題不是特別復雜，通過預習教材即可，但大部分學員會準備PPT課件，且自愿上講臺講述的學員一般在以往的學習過程中接觸過與該專題相關的研究工作，因此在其課件上還會加入自己以往的工作、自己對該問題的擴展認知及自己尚未弄明白的問題等。這種教學效果是在深入了解學員的知識積累基礎上，通過巧妙設置研討專題取得的。
前沿研究的研討要求學員進行大量的資料查閱，特別是光纖傳感前沿研究課題的查閱。對于某一個問題，由于課堂講授的時間受限或者教材中沒有系統的描述，對該問題的課堂講授可能不夠全面，在這種情況下，教師會提供相關信息，要求學員查閱該文獻并進行精讀，然后在課堂上進行研討。這種研討專題分為兩種：一種是教師提供明確的檢索信息，由學員查閱到該文獻后精度文獻，分析文獻的精華及不足；另一種則是教師提供所要解決的問題，由學員對該問題進行解讀，提煉關鍵檢索信息，進行檢索后，對檢索文獻進行初步分析，總結該問題的研究現狀。學員反映這種研討專題的難度稍大于第一種，但一般稍花時間都能解決。
學位論文研究方法的研討目的在于：無論是本科生還是研究生，在學習完相應的光纖傳感技術課程后馬上就要投入到學位論文工作中。通過對這類問題的研討，學員逐漸掌握了在未來從事學位論文研究中必須具備的研究方法，這類的研討主要培養學員的仿真計算能力和光纖傳感系統的設計能力。例如在講授完光纖光柵的基本理論之后，學員反映耦合模理論的公式很繁瑣，難以一眼看出其中的物理特性，為此，我們安排了相關理論的仿真計算研討，要求學員根據課堂講授的公式進行理論仿真，計算光纖光柵反射光譜，并繪制帶寬、反射率等關鍵參數隨著光柵參數的變化曲線。學員在課堂研討時要講述自己的關鍵參數設置和仿真結果。通過這種研討方式，學員對光纖光柵的反射譜特性建立了深入的了解，效果遠遠好于課堂直接講授相關結論。
根據光纖傳感課程層次劃分，不同的光纖傳感技術課程對三種研討專題的應用程度也不相同，本科生的光纖傳感技術課程以經典理論知識的研討為主，并設置1～2次前沿研究的研討；研究生的光纖傳感技術課程則以前沿研究的研討專題和學位論文研究方法的研討專題為主，對特別重要的概念設置少量經典理論知識的研討專題。
四、以光纖傳感技術課程為支撐的創新型人才培養
光纖傳感技術的應用范圍極廣，一套實用的光纖傳感系統可以很龐大很復雜，也可以很小巧靈活。針對這一特點，課題組教師在學院本科生和研究生的各項教學活動中，積極開展與光纖傳感技術相關的各項活動。
針對本科生的光纖傳感技術系列課程，在授課結束后，在光電設計大賽、畢業設計等教學活動中開設了大量關于光纖傳感技術應用的課題，引起學員濃厚的興趣和廣泛的參與熱情。一方面，參與光纖傳感技術相關的本科畢業設計學員數量大幅度提高。以技術類本科畢業設計為例，2013、2014年參與光纖傳感技術相關課題的學生均達到光信息專業學員總數的50%以上。另一方面，學員完成課題的質量也得到大幅度提升，近年來有8名本科生獲得學校創新資助，從側面反映出光纖傳感技術課程教學效果的日漸提高。這些競賽成果也作為評價授課效果的標準之一，并將學員在課外延拓活動中的效果和意見及時反饋到教學過程中[3，4]。
針對研究生的光纖傳感技術系列課程，一方面鼓勵學員在課程學習的基礎上努力拓展研究深度，在光纖傳感研究領域不斷創新。在課題組所在實驗室所培養的研究生中，有3名研究生獲得學校創新資助，1名研究生獲得湖南省創新資助，其課題都是光纖傳感領域的研究重點和難點。此外還有5項研究生參與申請的光纖傳感技術相關專利；另一方面，鼓勵學員積極參與到與光纖傳感技術相關的科研項目中，在實際工程環境中對課程知識進行融會貫通。目前在光纖信息專業的畢業研究生中，參加過光纖傳感相關的湖上或海上試驗的學員達到95%以上，為其真正走向工作崗位后充分適應部隊對光纖傳感技術人才的需要積累了寶貴的經驗。
五、高素質教師隊伍建設
作為教育的重要媒介，教師是活動中的主要因素。教員整體素質的高低，直接影響著教學質量的高低。因此，建立一支教學水平高、結構合理的高素質師資隊伍顯得尤為重要。
（一）從教學和科研兩個方面錘煉教師隊伍，使教師的教學水平和科研能力相互促進共同提高
科學研究是教師工作的重要組成部分，是提高教學水平的重要手段，也是提高自身素質的重要途徑。對于光纖傳感技術系列課程而言，學即能致用是其重要特點之一，教學和科研的相互促進作用尤為明顯。課題組全部教員均參加了多個重大科研項目。通過重大科研項目的歷練，教員的學術水平得到很大的提高，一方面教員接觸了學術前沿，開拓了學術視野，經歷了科研實踐，在課堂教學中自然會將科研最新成果、專業發展動向帶進課堂，另一方面，教員在參與重大科研項目時對光纖傳感的技術內容有了更加深刻的認知，對于在課堂上清楚明白的講好各個知識點至關重要。同時，通過教學活動中對課程內容的反復推敲及與學員之間展開的研討交流，可以加深教員對技術環節的領悟，甚至激發教員的靈感。通過在科研和教學兩個方面同時錘煉，促進教師知識更新和自身進步，提高教師的創新能力和教學質量，將真正做到科研教學一體化。
（二）鼓勵教員進行對外交流，充分借鑒國內外同類專業課程的教學經驗
課題組有兩名教員具有國（境）外留學經歷，其他教員也多次參加國內外的學術活動和教學活動交流，在課程建設過程中充分利用了這一優勢。在教員已經帶回的國外大學教學經驗的基礎上，鼓勵教員在回到學校后仍然定期與留學單位交流，及時獲取留學單位最新的課程設置和教學安排信息，并通過交流，不斷補充自身的不足，更新課程內容，豐富教學手段，提高自身教學水平。在對外學術活動交流中，有意識的了解其他院校同類專業課程的教學情況，對于感興趣的單位積極主動與對方聯系進行實際考察?；钴S的對外交流活動極大地激發了教師的教學熱情，并不斷提高其教學水平。
（三）加強青年教師的教學技能培訓
目前，課題組教員是一支相對年輕化的隊伍，很多才剛剛博士畢業，青年教師充滿熱情，思想活躍，比較了解學員的思想，與學員進行交流方面具有優勢。但是，他們大多沒有經過系統的教學技能訓練，普遍缺乏教學經驗。為了使青年教師盡快掌握教學技能，提高業務能力與水平，課題組指定認真負責、教學經驗豐富的老教師擔當青年教師的導師，對青年教師實行“一對一”的“傳、幫、帶”指導，指導青年教師備課、編寫教案；采取措施督促教員投入足夠的精力。教員上崗前，必須經過教研室、系所、學院三級試講，每次授課必須重新編寫教案、編寫課件、編制教學日歷；在教學過程中，教學指導委員會、督導組、院系領導經常性聽查課，督促教學水平的提高。
通過從科研和教學兩方面錘煉教學隊伍，課題組教員自身水平得到了大大提高，多次在全軍和全校獲得教學優秀獎，其中獲軍隊院校育才獎1人次，優秀研究生導師獎3次，校本科“研究型”教學比賽三等獎1人次，校研究生教學優秀三等獎1人次，教員在國內教學期刊上發表高水平教學論文10篇，課題組已經成為了一支能獨立承擔授課任務的高水平教師隊伍。
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關鍵詞：BOTDA，布里淵散射， 工程監測， 標定，光纖
1. 引言
分布式光纖傳感技術適用于橋梁工程的檢測以及施工過程監控。其原理基于在光纖中傳播的激光會發生布里淵散射，而散射光的頻率，會隨所在的點的溫度和應變發生變化，這兩種效應都是線性的。一般使用通訊光纖布置于工程構件，進行測量，因此，必須對光纖進行標定。標定后的光纖，其頻移與相應的溫度或應變有一個明確的換算系數，單位是Hz/℃，以及Hz/?ε.
為了標定光纖，我們制作了專用標定臺。由鋼質簡支梁組成，采用砝碼做四點彎曲加載，因此中段是純彎曲段。梁的彈性模量、尺寸已知，因此可以在理論上確定彎曲應變、應力。在純彎曲段貼應變片，測試應變值作為校驗。由于本次試驗目的在于檢驗標定方法和標定方案的合理性，采用一段已經標定過的光纖做實驗，其標定值為0.051MHz/?ε，本文不做應變片以及砝碼載荷下理論應變的校驗分析。
2. 試驗材料和儀器
此次試驗同時標定的光纖有：（1）裸光纖；（2）普通緊套光纖；（3）鎧裝緊套光纖。
三組光纖稍微預張拉后分別粘貼在鋼梁的下側即受拉一側，三條光纖線路分別連接好（激光筆測試光路通暢），各自編號，各自線路上對應的待測純彎段距離范圍量測準確后，即開始測試。
測試儀器為日本 NBX6050分布式光纖監測儀。圖1是實驗裝置。
圖1 實驗裝置
3. 測試結果及數據分析
本文僅分析裸光纖的標定結果，另兩組光纖的標定，數據處理較復雜，將另文發表。
實驗過程包括加載砝碼、運用光纖監測儀發出激光、讀取散射光、分析頻移得出數據。數字化的數據以電腦文件形式保存。圖2是由數據畫出的裸光纖的測量曲線。其中中段是純彎曲段的響應，兩側有非純彎曲段以及光纖引線的響應。
圖2 裸光纖應變曲線
根據數字化的數據文件，數據導入excel繪制散點圖并擬合線性直線
得出結果見表1. 擬合的直線見圖3。根據直線方程，可以知道其標定系數。
表1 擬合直線的數據
圖3 擬合的線性度及其斜率
擬合線性方程式表明裸光纖的標定值在0.0508-0.0514MHZ/?ε之間。與名義標定值符合較好，也符合一般光纖的平均特性。
4. 結論
通過使用標定臺，對光纖進行試驗性標定，確認名義應變系數為0.051的光纖，其標定系數在0.0508-0.0514MHZ/?ε之間。標定的最大相對誤差為0.78%. 研究表明，這種標定臺性能較好，標定方法合理。
本次試驗還有很多其他數據待分析，將另外撰文發表。
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【論文摘要】：介紹了光纖傳感器的基本構成及原理，綜述了近年來光纖傳感器技術的應用和發展，對光纖傳感技術的研究發展方向進行了展望。
光纖傳感器隨著光纖通信技術的實用化有了迅速發展，且以體積小、重量輕、檢測分辨率高、靈敏度高、測溫范圍寬、保密性好、抗電磁干擾能力強、抗腐蝕性強等明顯優于傳統傳感器的特點，其應用范圍深入至國防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環保、醫學等?，F如今光纖傳感器已經能夠對溫度、壓力、溫度、振動、電流、電壓、磁場等物理量進行測定，發展空間相當廣闊。
1. 光纖傳感器的基本構成和組成原理
光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3部分組成，光源發出的光耦合進光纖，經光纖進入調制區，在調治區內，外界被測參數作用于進入調區內的光信號，是其光學性質如光的強度、相位、偏振態、波長等發生變化成為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器而獲得被測參數，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖起保護作用，光纖按材料組成分為玻璃光纖和塑料光纖；按光纖纖芯和包層折射率的分布可分為階躍折射率型光纖和梯度折射率光纖兩種。光纖能夠約束引導光波在其內部或表面附近沿軸線方向向前傳播，具有感測和傳輸的雙重功能，是一種非常重要的智能材料。
2. 光纖傳感器的類型及特點
光纖傳感器的類型很多，按光纖傳感器中光纖的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。
傳感型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經被測物理量作用而發生變化的特點，使光波傳導的屬性(振幅、相位、頻率、偏振)被調制。因此，這一類光纖傳感器又分 為光強調制型，偏振態調制型和波長調制型等幾種。對于傳感型光纖傳感器，由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。
傳光型光纖傳感器又稱非功能型光纖傳感器，它是將經過被測對象所調制的光信號輸入光纖后，通過在輸出段進行光信號處理而進行測量的。在這類傳感器中，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調治的敏感元件才能組成傳感元件。
3. 光纖傳感器的應用
光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經濟的所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環境中使用，解決了許多行業多年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。主要表現在以下幾個方面的應用:
(1) 城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松弛、施工應力和動荷載應力從而來評估橋梁短期、施工階段和長期營運狀態的結構性能。
(2) 在電力系統，需要測定溫度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等，由于電類傳感器易受強電磁場的干擾，無法在這些場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統不僅具有普通光纖傳感器的優點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點我們可以連續實時測量光纖沿線幾公里內各點的溫度，定位精度可達米的量級，測溫精度可達1度的水平，非常適用于大范圍多點測溫的應用場合。
(3) 在石油化工系統、礦井、大型電廠等，需要檢測氧氣、碳氫化合物、CO等氣體，采用電類傳感器不但達不到要求的精度，更嚴重的是會引起安全事故。因此，研究和開發高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實現上述檢測。
(4) 在環境監測、臨床醫學檢測、食品安全檢測等方面，由于其環境復雜，影響因素多，使用其它傳感器達不到所需要的精度，并且易受外界因素的干擾，采用光纖傳感器可以具有很強的抗干擾能力和較高的精度，可實現對上述各領域的生物量的快速、方便、準確地檢測。目前，我國水源的污染情況嚴重，臨床檢驗、食品安全檢測手段比較落后，光纖傳感器在這些領域具有極好的市場前景。
(5) 醫學及生物傳感器。醫學臨床應用光纖輻射劑量計、呼吸系統氣流傳感系統;圓錐形微型FOS測量氧氣濃度及其他生物參數;用FOS探測氫氧化物及其他化學污染物;光纖表面細胞質?；蚪M共振生物傳感器;生物適應FOS系統應用于海水監測、生化技術、醫藥。
光纖傳感器在實踐中運用到的例子舉不勝舉，這些技術都是多學科的綜合，涵蓋的知識面廣，象光纖陀螺，火花塞光纖傳感器，光纖傳感復合材料，以及利用光纖傳感器對植物葉綠素的研究等等；隨著科技的不斷進步，越來越多的光纖傳感器將面世，它將被應用到生產生活的每一個角落。
4. 光纖傳感器的技術發展方向
光纖傳感技術經過20余年的發展也已獲得長足的進步，出現了很多實用性的產品，然而實際的需要是各種各樣的，光纖傳感技術的現狀仍然遠遠不能滿足實際需要。目前，光纖傳感器技術發展的主要方向是。
(1) 傳感器的實用化研究。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠對多種物理量進行同時測量。
(2) 提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設計復雜的傳感器網絡工程。注意分布式傳感器的參數，即壓力、溫度，特別是化學參數(碳氫化合物、一些污染物、濕度、PH值等)對光纖的影響。
(3) 傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這些將是以后傳感器進一步發展的趨勢。
(4) 在惡劣條件下(高溫、高壓、化學腐蝕)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的開發和應用。
(5) 新傳感機理的研究，開拓新型光纖傳感器。
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關鍵詞：隧道工程；光纖；監控量測；隧道施工；隧道火災；健康監測
傳統的傳感器是以應變－電壓為基礎，以電信號來反映結構應變的變化，并借助導線傳輸。因此，傳統傳感器易受到電磁場和使用環境的影響。另外，由于電阻傳感器和導線的金屬易腐蝕性，難以實現長期監測和實時監測。這些傳統傳感器的局限性嚴重地制約了其應用，無法滿足現代隧道建設中監控量測的需求，而以光纖傳感技術為基礎的光纖傳感器不但可以替代傳統傳感器的作用，還可以很好的彌補傳統傳感器的上述缺陷。
1光纖傳感器在隧道施工過程中監控量測
光纖傳感器以其材質和工作原理上的優越性，具有受環境干擾小，傳輸損耗低，連接方式豐富(可將多個傳感器并聯輸出)，導線價格低等優點，可以大大提高隧道監控量測的準確度和工作效率并可以降低工作風險和監測成本。隧道的監控量測包括必測項目和選測項目，其中的必測項目主要包括地質和支護狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉和地表下沉。必測項目中的這四項在隧道的監控量測工作中一般均需要做測試，這些項目一般通過觀察、描述和光學測量儀器如水準儀、全站儀等進行監測，所以，隧道監控量測的必測項目一般不采用光纖應變傳感器。選測項目中的錨桿內力量測、圍巖體內位移量測、支護及襯砌內應力和表面應力量測、圍巖壓力及兩層支護間壓力量測、型鋼支撐內外力量測可以通過布設在待測點的光纖應變傳感器進行量測。光纖應變傳感器在這些項目上的應用不但可以高效準確的進行監控量測，還可以一直將監測工作隨著隧道從建設到運營進行長期全壽命實時監測，這一點具有傳統傳感器無法比擬的優勢。
2光纖傳感器在隧道火災報警系統中的應用
光纖的光柵柵距和折射率會因其周圍環境的溫度變化而發生變化，這種變化會對應地引發光纖光柵的反射譜以及透射譜的變化。通過解調儀將光纖光柵的反射譜或透射譜發生的變化檢測并讀取顯示出來，則得到了光纖光柵周圍環境溫度的變化數據，通過程序中設定的溫度控制閥值和報警裝置就可以對隧道內的溫度進行實時監測和火災報警。
(1)隧道內火災發生的原因。隧道火災一般由車輛、貨物的著火以及交通事故起火而引發，而車輛油箱內的燃油和車輛所載易燃貨物則為火災的發生提供了物質條件。隧道內部發生火災后，燃油和貨物的燃燒會迅速釋放出大量的熱，并伴有大量的有毒氣體和濃煙霧，同時隧道內部溫度隨之而迅速升高。
(2)光纖傳感器的系統組成。光纖光柵感溫火災報警系統主要是針對所監測隧道內部溫度的異常升高進行實時測量，顯示溫度并判斷溫度是否過高而進行及時報警。主要由光纖光柵感溫探測器、解調系統、報警裝置、傳輸光纜和計算機組成。
(3)光纖傳感器在隧道內的布設和安裝。光纖傳感器在隧道內部的布設間距應根據隧道的長度來計算確定，間距太密造成工作量和成本的的浪費，太疏則會影響火災探測的靈敏度和準確率。當隧道長度介于500m和10000m之間時，光纖傳感器的縱向間距不能大于7m;當隧道長度超過10000m時，光纖傳感器的縱向間距不能大于8m。光纖傳感器應布置于距離隧道拱頂20cm左右的位置，并沿隧道縱向呈直線排列。光纖傳感器應在隧道拱頂沿縱向用鋼絞線進行固定，以便在不影響隧道內交通的情況下有效監測和預報火災。對于長隧道和隧道群，由于工作人員觀察室距離傳感器距離較遠，通常需要將光纖傳感器測得的溫度信號通過光纜遠程傳輸到設備處理器，所以其布設方法和連接方式應按照隧道內車道數的不同而采取不同的方式方法。對于單車道和雙車道的交通隧道，光纖傳感器可在隧道內斷面中央進行單排縱向布設;而當隧道行車道數量多于2時，光纖傳感器在隧道內斷面中央應按照雙排進行縱向布設。雙排布設時，兩排傳感器應交錯布置，以便增大光纖傳感器的感應機會。
3光纖傳感器在隧道健康監測中的應用
隧道健康運營過程中最主要的病害就是隧道的襯砌結構劣化，其表現為襯砌的開裂、掉塊、錯臺、和滲漏水等方面。隧道病害除了降低隧道的安全性、耐久性及其使用性能等外，如不及時發現和處治還會誘發其他更為嚴重的病害，甚至會縮減隧道的使用壽命。因此對隧道二次襯砌的全壽命監測就顯得尤為重要。隧道二次襯砌病害的傳統檢測技術主要通過地質雷達、地震波法、CT等實現，這些方法可探明某時某刻隧道襯砌的情況和其周圍的圍巖情況，但無法對隧道內襯砌和圍巖情況的變化進行實時監測和報警，同時傳統監測由于需要組織大量人員設備進入隧道進行監測工作，不可避免的會影響甚至中段隧道交通。分布式光纖傳感技術具有遠程、精度高、耐久性、實時性和成本低等特點，將其布設在二次襯砌之中可對隧道襯砌結構的健康情況進行長期、實時的監測。該技術可自動進行，不會對交通造成干擾，并且其實時輸出的數據信息可以讓隧道工作人員隨時掌握隧道的健康狀況。光纖監測網的布設需要對隧道的圍巖等級、圍巖應力水平及經濟性等進行綜合考慮。沿隧道橫斷面布設的光纖傳感器應根據圍巖等級來確定其布設的環向間距，即傳感器的環向間距應隨著隧道圍巖等級的增大而相應減小，并在隧道洞口附近適當加密布設。布設好光線監測網后，根據傳輸需要將傳感器按照一定的連接方式組合，通過光纜將光線應變傳感器連接到解調儀上進行監測。
4結論
光纖應變傳感器以其相較于傳統傳感器的諸多優勢而被廣泛應用于隧道中。在隧道施工過程中，光纖應變傳感器可以準確監測隧道結構的受力和變形情況，從而為隧道的安全施工保駕護航;在隧道火災檢測報警方面，光纖傳感器以其自動化和網絡化的特點提供良好的服務，從而預防火災和減少火災造成的損失;在隧道健康監測方面，光纖傳感器可以實時監測隧道襯砌結構并進行長距離傳輸，從而使隧道的全壽命健康診斷與評估成為了可能。
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【關鍵詞】 FBG；高應變；樁基檢測；預制樁
【中圖分類號】TU196+.1 【文獻標識碼】 B
Study on high strain detection of precast pile using FBG sensing technology
Qiu Zhenhong
(Shanghai jiangnan architectural design institute co,. ltd ShangHai 201800)
【Abstract】 FBG which has the advantage of high precision, strong ability of anti-electromagnetic, strong adaptive capacity to environment, long service life, etc has become a new advanced detection way in the field of pile foundation and bridge. This paper introduces the measure principle of FBG sensing technology and the implantation process of fiber grating into precast pile. Combined with the specific project, the traditional high strain data and FBG strain data is compared. The results showed that FBG data is suitable for high strain detection.
【Keywords】 FBG; high strain; detection of pile foundation; precast pile
0 引言
樁基檢測中高應變檢測是一項重要檢測內容，通過分析應力應變隨樁身變化情況分析樁身完整性和樁的承載性狀[1-2]。由于采用高應變進行承載力檢測具有工期短、成本低、效率高等特點，促進了高應變檢測法的推廣，但是高應變檢測的精度很大程度上與測試傳感器有關。傳統的電阻式、鋼弦式、電感式傳感器普遍存在靈敏度差、精度低、抗電磁干擾能力弱，受水腐蝕失真或失效等缺點，難以適應現代工程精確檢測的要求。而近年來興起的光纖光柵傳感器則具有精度高、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕和耐久性長等特點[3-6]，其體積小、重量輕，便于鋪設安裝，且不存與監測對象不匹配的問題，對監測對象的材料性能和力學參數等影響較小。另外，光纖光柵傳感技術采用光纖進行信號傳輸，傳輸損耗小，容易實現遠距離信號傳輸，正好彌補了傳統檢測技術的不足。本文結合具體的工程實例，將FBG傳感器植入檢測的預制樁中，同時采集傳統
的高應變檢測應變數據和FBG應變數據，并進行對比研究。結果表明：FBG測量數據可靠，具有較好的適用性。
1 FBG傳感技術測量原理
光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,簡稱FBG）是利用光纖材料的光敏性在纖芯內形成空間相位,光柵其作用的實質是在纖芯內形成一個窄帶的濾波器或反射鏡，使得光在其中的傳播行為得以改變和控制[7]。
圖1 光纖光柵傳感器的構造
如圖1所示，FBG傳感器分布在光纖纖芯的一小段范圍內，它的折射率沿光纖軸線發生周期性變
作者簡介：邱正紅，1982年出生，男，漢族，重慶潼南縣人，工學學士，助理工程師，主要從事巖土工程勘察和基坑設計工作。E-mail：qzh@live.it
化，圖中纖芯的明暗變化代表了折射率的周期變化。光纖布拉格光柵是光纖纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光柵。目前已有的基于光纖布拉格光柵的各種傳感器的工作原理都可以歸結為對布拉格光柵中心波長的測量[8-9]，即通過對由外界擾動引起的布拉格光柵中心波長漂移量的測量，得到被測參數；布拉格光柵中心波長與光纖纖芯有效折射率以及光纖光柵長度周期Λ相關[10]即：
(1)
其中：為布喇格光柵的中心波長；為光纖纖芯的有效折射率；為布喇格傳感器光柵的柵距。
圖2FBG傳感器工作原理圖
顯然，寬帶光源的輸入光譜在通過FBG傳感器1后，形成了波谷峰值為的凹陷，而反射光譜則具有波峰。當光柵所在處的光纖產生軸向應變時，柵距變為：
(2)
此時布喇格波長產生相應的變化，它滿足：
(3)
其中：為有效光彈系數,它的值約為0.22。
另外，溫度變化會引起光纖折射率的變化，同時也會引起柵距的變化，當溫度變化為時，將引起布拉格波長產生移動，可以表示為：
(4)
其中：為光纖的熱膨脹系數，；為光纖的熱光系數，。
由(3)、(4)兩式得到同時考慮應變與溫度變化時，所引起的波長移動：
(5)
由此可知，只要測出布喇格波長的變化，就可以得到外界的應變或溫度擾動。
2 預制樁FBG植入工藝
預制樁一般是在工廠制作而成的，特別是預應力預制樁是在預制廠經過先張預應力，離心成型及高壓蒸養等工藝生產而成的高強預制混凝土構件[11]，無法將光纖光柵澆注到其中。在打樁的過程中，由于預制樁管壁與土體的摩擦力很大，將光纖光柵貼在預制樁表面時，很容易造成打樁時光纖光柵被刮斷[12]。本文采用在預制樁表面刻槽后放入光纖光柵再用高強度膠進行密封，這樣既成能保證光纖光柵的成活率，又能保證光纖光柵與預裝樁身變形的一致性。預制樁的FBG植入工藝主要包括以下四個工序。
（1）光纖熔接
在FBG傳感技術測量中，光纖只是進行光信號的傳輸，真正起到測量作用的是光柵的那部分。所以要根據樁長截取相應長度的傳輸光纖與FBG傳感器進行熔接。
（2）刻槽布纖
用開槽機在預制樁身表面沿著布纖路線刻槽，槽寬和槽深以能放入光纖為準(太深容易破壞樁身強度)，光纖放入槽內用502膠水進行定點固定，刻槽布纖如圖3所示。
圖3 刻槽布纖
（3）光纖保護
用高強膠（環氧樹脂）填充槽內進行光柵粘貼和光纖線路保護，在樁端出露的光纖用套管進行保護，將多余的光纖盤繞在樁頭并用緩沖材料進行包裹保護，光纖保護如圖4所示。
圖4 線路保護
（4）打樁對接
將布好光纖的樁按順序進行打入，在樁對接時進行上下兩樁光纖的對接，并將多余光纖盤繞在接頭地方進行強化處理，打樁對接如圖5所示。
圖5 打樁對接
3 工程實例
3.1 工程背景
嘉定區城北大型經濟適用房（南塊）位于上海市嘉定區，住宅樓和配套商業擬采用樁基礎，地下車庫、地下P型站和地下水泵房擬采用抗拔樁。工程主要負責樁基設計參數可行性研究工作。根據設計需要，結合勘察資料，進行現場原位測試，包括：模型樁單樁豎向抗壓、單樁豎向抗拔靜載，錘擊樁高應變跟蹤監測及樁身應力分析，獲得各層土設計參數。
3.2 測試方法
本文主要研究該工程中管樁（管樁樁長13.0m，內徑0.22m，外徑0.4m）的高應變檢測。通過光纖光柵測得應變數據分別與高應變測樁儀導出數據進行對比。樁身應力測量采用光纖光柵應變傳感器。光纖光柵應變傳感器布設：在樁頂以下1m處（-1m)布設一個；在土層交界處6.5m處（-6.5m)布設1個，在樁底以上50cm處（-12.5m)布設1個，FBG傳感器布設如圖6所示。
圖6 FBG傳感器布設圖
高應變初打跟蹤監測試驗按照《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106-2003）進行，測試方法見圖7。
圖7 高應變測試圖
3.3 檢測數據分析
本文選取了一根測試樁，對樁的錘擊高應變數據進行分析。通過預埋在樁身上的光纖光柵測得應變數據分別與高應變測樁儀輸出數據進行對比研究，FBG傳感器測試出的數據曲線如圖8所示。曲線中第一個峰值的出現表示在擊打過程中樁身產生的最大應變，其余峰值是由于擊打過程中余震產生。圖形顯示在-1m處峰值最高，其次-6.5m處，-12.5m處峰值最小。這表明：在被擊打過程中，離測試樁由樁頂至樁底，樁身應變逐漸減小，在樁頂處會產生最大應變，所以在錘擊過程中要加強對樁頂的保護。
圖8高應變時光纖測得應變曲線圖
由于-1m處安裝的FBG傳感器與高應變檢測中的應變片安裝位置接近（檢測傳感器的安裝用膨脹螺栓安裝在距樁頂約2倍樁徑處），將-1m處的FBG測試數據與應變片的數據進行了對比，光纖應變曲線與高應變儀導出應變曲線對比圖如圖9所示。從圖9中可以看出，兩者的曲線較為吻合，這說明FBG傳感技術適用于高應變檢測。
圖9 高應變時光纖曲線與高應變儀導出曲線對比圖
4 結論
（1）本文將FBG傳感監測技術應用于樁基檢測中，將光纖光柵測得應變數據與高應變測樁儀輸出數據進行比較研究。結果表明：FBG傳感數據能較好地適用于高應變檢測，但也存在不足，由于高應變檢測同時需要應變數據和加速度數據，而此次測試只采集了樁身FBG應變數據，如果在樁身相應的位置能安裝FBG加速度傳感，同時采集FBG應變和加速度數據，擬合樁基的承載力與傳統高應變測樁儀測出的樁基承載力進行對比，將是本論文需要深入研究的一個方向。
（2）FBG傳感器可以安裝在樁體的任何位置，如果將FBG傳感技術運用于高應變檢測中，就可以
測得樁體任何位置的應變，而不僅僅局限于樁頂附近。
（3）檢測數據的精確度不但與測試方法有關，還與傳感器的性能有關，FBG傳感器正是由于其高精度、抗電磁干擾能力強等特點得到了工程界廣泛的關注。但是，由于其比較高的價格也限制著它的發展。隨著科學技術的發展，FBG傳感技術將會得到廣泛發展。
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