光纤传感器在土木工程健康监测中的发展与应用.pdf

3 7 2 四川建筑科学研究 S i c hn a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 3期 2 0 1 3年 6月 光纤传感器在土木工程健康监测中的发展与应用 曹长城 ， 田石柱 ， 王大鹏 ( 1 苏州科技学院土木工程学院， 江苏 苏州2 1 5 0 1 1 ； 2 哈尔滨工业大学土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 9 0 ) 摘要： 结构健康监测系统的关键因素之一是其系统内部的传感元件。光纤传感器的出现并以其优于其他传感器 的特点， 已经成为结构健康监测系统的首选传感器。本文将简单综述两类光纤传感器F B G传感器和基于布里 渊散射分布式光纤传感器在土木工程健康监测中的发展和最新的应用状况， 并对 B O T D R测试系统提出改进方案， 以实现对平面分布信息的传感。 关键词： F B G； 分布式光纤传感器； 布里渊散射； B O T D R 中图分类号： T P 2 1 2 9 ；P 3 1 5 7 3 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 3 3 7 2 0 5 Ap p l i c a t i o n s a n d d e v e l o p me n t o f fib e r o p t i c s e n s o r f o r c i v i l e n g i ne e r i ng h e a l t h mo n i t o r i ng CAO Ch a n g c h e n g ， T I AN S h i z h u ， W ANG Da pe n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S u z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S u z h o u 2 1 5 0 1 1 ， C h i n a ； 2 Sch o o l o f C i v i l E n gi n e e ri n g ， Ha r b i n I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 9 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： T h e s e n s i n g e l e me n t i s o n e o f t h e k e y f a c t o rs i n a s t r u c t u r a l h e a l t h mo n i t o ri n g F i b e r o p t i c s e n s o r h a s ma d e i t t h e fi r s t c h o i c e i n S t ruc t u r a l H e a l t h Mo n i t o ri n g( S H M)s y s t e m w i t h i t s u n i q u e c h ar a c t e r i s t i c s c o mp are d t o t h e o t h e r c o n v e n t i o n al s e n s o rsI n t h i s p a p e r ， t h e d e v e l o p me n t a n d t h e l a t e s t a p p l i c a t i o n s o f t wo k i n d s o f fi b e r o p t i c s e n s o r are p r e s e n t e d b rie fl y ， n a me l y F i b e r B r a g g G r a t i n g ( F B G)s e n s o r a n d d i s t r i b u t e d fi ber o p t i c s e n s o rs b a s e d o n B r i l l o u i n s c a t t e ri n g A n i m p r o v i n g p r o p o s al f o r B r i l l o u i n O p t i c al T i m e D o m a i n R e fl e e t o m e t r y( B O T D R )t e s t i n g s y s t e m i s c a r r i e d o u t t o f u l fi l l t h e s e n s i n g o f p l a n e d i s t ri b u t i o n i n f o r m a t i o n Ke y wo r d s ： F B G； d i s t ri b u t e d fi b e r o p t i c s e n s o rs； B r i ll o u i n s c a t t e rin g ； BO T DR 0 引 言 近年来， 光纤传感器以其独特的优点越来越受 到重视 ， 并被广泛应用于结构传感和健康监测项 目， 涉猎的领域有智能结构、 复合材料、 土木工程、 航空 航天工程 、 航海工程 和石油天然气工程 ， 其 中， 光纤 传感器最广泛的应用是对应变与应力的传感， 除此 之外， 对大量的其他物理参数诸如温度、 压力、 电压、 磁场等也具有很好的测量效果- 1 J 。 收稿日期： 2 0 1 1 1 2 - 3 1 作者简介： 曹长城( 1 9 8 6 一) ， 男， 硕士研究生， 主要从事结构智能健 康监测研究。 基金项 目： 江苏高校优势学科建设工程一期项 目( P A P D ) ； 第八批江 苏省“ 六大人才高峰” 项 目( 2 0 1 1 一 J Z - 0 1 3 ) ； 哈尔滨市科技局科技创新 人才研究专项基金( 2 0 0 9 R F K X G 0 0 7 ) ； 苏州科技学院2 0 1 1 年度研究 生科研创新计划项 目( S K C X 1 1 S _ 0 3 3 ) ； 苏州科技学院校科研项 目 ( XK Y 2 0 1 0 0 7 ) E m a i l ： T e a t wa l 1 c a o g ma i l c o i n 通讯作者简介： 田石柱( 1 9 6 2 一) ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事结 构智能健康监测、 结构抗震试验及振动控制研究。E - m a i l ： t i a n s h i z h u ma i l u s t s e d u C B 光纤传感器按用途大致可分为两类， 一类是 B r a g g 光纤光栅( F B G) 传感器 ， 多局部布置使用 ， 可 测量某一局部位置的物理参数变化情况， 另一类是 分布式光纤传感器 ， 它多是基于拉曼散射或布里渊 散射传感机理而制成 ， 可 以测量沿光纤轴线整个长 度上各点 的参数 变化情 况 ， 其 测量距 离 长达数 千 米 。 1 F B G传感器 F B G是沿光纤轴向折射率周期变化的一种光 栅， 是最早发展的光纤光栅， 也是应用最广的光纤光 栅， 相比于传统的机械、 电子类传感器， 具有其独特 的优点 ， 如 ： 抗电磁干扰 ； 电绝缘性能好 ， 安全可靠 ； 难腐蚀 ， 化学性能稳定； 体积小、 重量轻， 几何形状可 塑 ； 传输损耗小 ； 测量范 围广等 。目前 ， 布拉格光栅 的写 入方法 采用最 广泛 的是 1 9 9 3年 由 Hi l l 研 究 组 和 B e l l 实验室的 A n d e r s o n等人 几乎 同时提 出的相位掩模写入法 ， 即将光敏光纤贴近相位掩模 曹长城 ， 等： 光纤传感器在土木工程健康监测中的发展与应用 3 7 3 板 ， 利用相位掩模板 的近场衍射所产生 的干涉条纹 在光纤纤芯中形成折射率的周期性变化， 从而形成 光纤光栅 。 当可调谐光源发出的光入射到含有光栅 的光纤 中时， 波长与光栅周期一致的光将被反射， 其他波长 的光将不受影响地通过光栅。由于光栅的周期与应 变和温度有关 ， 因此通过分析反射光的波长， 就可达 到测量这两个物理量的目的 。对于其他被测参 量， 则需要采用其他装置或媒介将其变化转化为作 用于光纤光栅上的应变或温度的变化实现测量。通 过建立并标定光纤光栅应变或温度响应与被测参量 变化之问的关系， 便可以由光纤光栅 B r a g g波长的 变化 ， 测量出被测量 的变化。图 1为 F B G监测 系统 组成。 传 导光纤1 传 导光 纤2 ， ， = = ：= _I： ： S： ZZ J 1 屯 图 I F B G监测 系统组成 Fi g 1 T h e c o m p o s i t i o n o f F BG m o n i t o r i n g s y s t e m 1 1 F B G传感器的工作原理 目前 ， F B G传感器的工作原理都是基于对布拉 格光栅 中心波长 A 的测量 ， 通过 对 由外界扰动 引 起 A 漂移量 的测量 ， 得到压力 、 应力与温度等待测 量。 根据耦合模式理论 ， A 与光纤纤 芯有效折射率 e ft以及光纤光栅周期 A相关 ， 存在下述对应关系： A B=2 n 。 ( 1 ) 当传感器光栅周围的温度、 应力或其他待测量 发生变化时 ， 将会引起光纤光栅 n e ff 或者 发生改 变 ， 从而导致 反射光 的中心波 长值发生漂移 ， 关 系为 ： A B=( 1一P 。 ) A e A B+( f + ) z B ( 2 ) 式( 2 ) 中， A 为反射光中心波长变化量； 为应变 变化量 ； 为温度变化量 ； P 为光 纤有效弹光 系 数 ； t z 和 分别 为光纤 的热膨胀 系数 和热光系数。 故光纤光栅反射光中心波长变化量与外界温度或应 变变化呈线性关系 】 。 1 2 F B G传感器的应用实例 南京长江第三大桥是国家“ 十五” 期间重点建 设项目， 是上海至成都国道主干线的重要组成部分， 也是江苏省规划建设的五大战略性过江通道之一。 南京长江第三大桥是双塔双柱斜拉桥， 主跨 6 4 8 m ， 钢索塔 、 钢箱梁桥面结构 ， 基础形式采用钢套箱加钻 孔灌注桩组合而成的高桩承台。南京长江第三大桥 桥索塔深水桩基础的施工工艺十分复杂， 施工过程 中基础关键构件的受力具有时变特性和精确计算的 困难 ， 因此 ， 采取有效措施监测其关键构件施工全过 程的受力状态， 对于确保桩基础施工安全是十分必 要的。因此， 需要对钢护筒施工阶段的受力状态 、 桩 基础的受力状态、 套箱吊杆的轴力， 以及承台施工阶 段的温度及温度应力状态进行监测。 南京三桥深水基础施工监测共布设 了 3 9 7个光 纤光栅应变和温度传感器 ， 其 中温度测量 2 2 5个 ， 吊杆 l 4个 ， 主墩护筒 8 7个 ， 试验桩 l 1个 ， 基桩钢筋 笼 6 O 个， 是目前国际上施工控制中布设光纤光栅应 变和温度传感器最多的桥梁基础。所构成的监测系 统对索塔护筒和基桩进行了力学分析， 在钢护筒施 工阶段 、 索塔桩基础施工阶段、 封底混凝土施工阶段 和索塔承台大体积 昆 凝土的施工阶段布设了较大规 模的光纤光栅应变和温度传感器， 对相应施工阶段 进行 了监测 ， 为南京三桥索塔深水桩基础 的施工过 程提供参考数据和具体的施工控制方案。 国家游泳 中心 ， 又称“ 水立方” ， 位于奥林 匹克 公园的中心位置 ， 2 0 0 7年 1 1月建成 ， 占地 6 2 9 5公 顷， 长宽高分别为 1 7 7 m 1 7 7 m 3 0 m， 内部分成3 个功能相对独立的空间， 总建筑面积 8 0 0 0 0 m ， 赛 时座位 1 7 0 0 0 座， 赛后座位6 0 0 0座。设计的目标是 提供 2 0 0 8年北京奥运会的游泳、 跳水、 花样游泳、 水 球比赛场地， 赛后提供重大水上比赛场地。 国家游泳中心 由钢筋混凝土框架简体结构 、 空 间钢结构 和 E T F E膜充气枕覆盖结构组成 ， 其空 间 钢结构是建筑设计和结构设计的重点 。钢结构工程 采用国内外首创仿水泡组合的全新结构体系， 设计、 科研、 施工组织均有较大难度 ， 经过各方专家多次论 证， 决定对“ 水立方” 的钢膜结构进行健康安全监 测， 欧进萍院士、 李惠教授和滕军教授提出了“ 水立 方” 钢膜结构健康监测系统方案， 在整个结构上布 置了2 6 0个光纤光栅类应变及温度传感器， 总计一 万多米长的光缆将各组传感器组织成一个有机的整 体。 整个检测系统的目的是定期采集国家游泳中心 钢膜结构的温度场和考虑气固耦合效应的风荷载、 关键构件的应力应变、 钢膜结构的振动等有关数据 ； 根据采集的数据和有限元模型， 获得国家游泳中心 的整体受力状况和振动水平 ， 对监测期 间的安全状 态进行评估和预测 ； 为研究大跨空间钢 、 膜结构在各 3 7 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 种荷载和环境下的受力状态和流固耦合作用提供直 接的现场试验数据。 2 分布式光纤传感器 分布式光纤传感技术是在2 0 世纪 7 0年代末提 出的， 是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射 ( O T D R， O p t i c a l T i me D o ma i n R e fl e c t o me t r y ) 技术发 展起来的一种新型传感技术。它不同于电子类和局 部布置的光纤传感器 ， 具有独特的优点 ， 它可以测量 沿光纤轴线 整个长度上分布 的物理参数 和化学特 性， 一根单独的分布式光纤传感器可提取数千个测 点的信息， 解决了许多重大应用场合下其他类型传 感器难以胜任的测量任务。从提出到现在， 分布式 光纤传感技术已有较大的发展， 并在 3 个方面取得 突破 ： 基于瑞 利散 射 ( R a y l e i g h s c a t t e ri n g ) 的分布式 传感技术； 基于拉曼散射( R a m a n s c a t t e ri n g ) 的分布 式传感技术 ； 基 于布里渊散射 ( B r i l l o u i n S C a t t e r i n g ) 的分布式传感技术 。图2为分布式光纤传感功能 原理图。其中基于布里渊散射的分布式传感技术 的 研究起步较晚， 但由于它在温度、 应变测量上所达到 的测量精度、 测量范围以及空间分辨率均高于其他 传感技术， 因此这种技术在 目前得到广泛关注与研 究。 I 激 光 脉 冲 I 探 测 光 纤 I 检 测 环 节 ，、 固 、 八八 ( ) 上 、 -、 反射光 l 检 测 环 节 I ：矗 I nc i de n t l i gh t DT s 工程机 瑞利 教射 布 里渊散射 是 拉 曼 散 射 S to kes sig m “ 、 n t i S t o k e s s i g n a l 、 、 。 1 ， 图 2 分布式光纤传感功能原理 F i g 2 Fu n c t i o n p r i n c i p l e d i a g r a m o f d i s t r i b u t e d fibe r o pt i c 基于布里渊散射的温度和应变传感技术的研究 集 中在 5个方面 ： 基 于布里渊光时域反射 ( B O T D R， B r i l l o u i n O p t i c a l T i me D o m a i n R e fl e c t o m e t r y ) 的分布 式光纤传感技术； 基于布里渊光时域分析( B O T D A， B r i l l o u i n O p t i c a l T i me D o ma i n A n a l y s i s ) 的分布式光 纤传感技术 ； 基于布里渊光频域分析 ( B O F D A， B r i l 1 o u i n O p t i c a l F r e q u e n c y D o m a i n a n a l y s i s ) 的分布式光 纤传感技术； 基于布里渊光相关域分析 ( B O C D A ， B r i l l o u i n O p t i c a l C o h e r e n t D o m a i n A n a l y s i s ) 的分布式 光纤传感技术 ； 基于布里渊光相关域反射 ( B O C D R B r i l l o u i n O p t i c a l C o h e r e n t D o m a i n R e fl e c t o m e t r y ) 的分 布式光纤传感技术 。其中 B O T D R作为一种全分 布式的光纤传感技术， 具有适用范围广、 长时效性、 分布式、 高灵敏度等优点， 已开始应用于各种土木工 程 ， 如隧道 、 堤坝、 桥梁 以及地铁等 的变形监测 和结 构健康诊断 中。B O T D R通过探i 见 0 光纤 中后 向散射 布里渊光的频率改变， 换算出光纤沿线各点的应变 值。布里渊光频移量不仅与光纤的应变大小相关 ， 还与光纤的温度存在相应的线性关系， 因此 B O T D R 也可以用作分布式的温度监测 。图 3为 B O T D R 测试系统组成。 图 3 B O T D R测试 系统组成 F i g 3 Th e c o mp o s i t i o n o f BOT DR t e s t i n g s y s t e m 2 1 B O T D R传感机理 布 里渊散射是 由光子和介质中以声速传播的声 子问的相互作用产生的。布里渊散射光相对于入射 光的频率迁移 主要 由介质 的声学 特性 、 弹性力 学特性和热弹性力学决定的。布里渊频移可以用下 式表示 ： =2 w。 n 。 ( 3 ) 式( 3 ) 表 明， 光 纤 中布里渊散 射光的频率迁移 与光纤内部声波 的速度 有关 。在链路 中所 采 用的光纤为普通石英， 属于各向同性材料， 光纤中声 波的传播速度 可以表示为： ( 4 ) 式 中， E为光纤的弹性模量 ； 为光纤的泊松 比； P 为光纤 的密度。 由于利用 B O T D R监测应 变时 ， 光纤 中存在 热 光效应以及弹光效应 ， 折射率 玷受温度和应 变的影 响。同时 ， 温度和应变不仅对光纤的密度 P产生影 响， 还影响光纤内部的原子问的作用势， 光纤材料的 弹性模量 E和光纤 的泊松 比 也与温度 、 应变的变 化密切相关 ， 因此折射率 n - , 弹性模量 E、 泊松 比 和 2 0 1 3 N o 3 曹长城， 等： 光纤传感器在土木工程健康监测中的发展与应用 3 7 5 密度 P均为温度和应变的函数 ， 式 ( 4 ) 又可以写成 ： ，一 二 些 ( ! 曼 2 墨 f ! ： 曼 2 。一 1+ ( ， ) 1 2 g ( T ， ) p ( ， ) ( 5 ) 将上式代入( 3 ) 式， 并假设环境温度 = 2 0 ， 得到： ， ， _ ， ( ， 8 )= n ( ， ) 1 一 ( ， ) ) ( ， ) 1 + ( T o ， ) 1 2 g ( T o ， ) ) P ( r o ， ) 根据泰勒展开， 在温度一定的条件下 ， 式( 6 ) 可 以改写为： 厂 B ( )= A( O ) 1 +( A n+ E+ +A p ) s ( 7 ) 从上述推导公 式可以发现 ， 通过光纤材料的相 关参数， 折射率、 弹性模量、 泊松比和密度， 在温度一 定的条件下可以得到布里渊散射光频率迁移和光纤 应变值之间的关系。 2 2 分布式光纤传感器的应用实例 我国仅陆地海岸线就有 1 8 0 0 0 k m， 其中相当长 的岸线修建 了保护腹地安全 的防汛堤防， 特别在 江 浙沪等沿岸腹地较低而经济发达 的地区， 海堤就是 生命线。上海 临港新城芦潮港西侧滩涂圈围工程位 于长江 口与杭州湾交汇处南汇 咀以西 ， 东起芦潮港 车客渡码头 ， 西至南汇区与奉贤区交界处 ， 经小泐港 和半途港至南奉交界处。 根据工程进度 安排 ， 确定 在 k 3+6 4 0和 k 3+ 7 8 0两个断面作为试验段 ， 在试验段铺设 特种传感 光缆 ， 利用分布式 布里 渊光纤传感技术对海堤建设 期间的沉降状态进行监测。光纤传感线路的现场铺 设工作始于 2 0 0 6年 1 O月 1日， 至 2 0 0 6年 1 1月 8 日， 3条线路陆续铺设完毕 ， 光缆接入光缆终端盒后 全部完成。2 0 0 6年 1 O月 1日数据为初始铺设数 据， 作为系统的监测基准值， 为后期的监测数据提供 对 比依据。 自2 0 0 6年 1 O月 1日开始到最近一次测 量2 0 0 7 年 2月2 8日， 进行了多次测量， 期间， 海堤 标高升到 6 m， 经历了堤身堆载， 至龙口合拢。试验 段 的分布式应变监测数据分析表 明， 应变分布与现 场堆载情况比较吻合， 大应变对应较大的堆载， 整体 沉降趋势也吻合， 计算得到的最大偏差在 一 9 4 m m， 5个水准观测点平均偏差为 3 9 2 m m 1 。 人 防工程是 防备敌人突然袭击 ， 有效掩蔽人员 和物资 ， 保存战争潜力 的重要设施 ； 是坚持城镇 战 斗， 长期支持反侵略战争直至胜利的工程保障。广 州体育西路人防工程位于广州市核心地段， 毗邻各 种行政、 企业、 商贸、 文化、 体育建筑。全长 3 5 0 m， 包括南段 1 6 8 m、 中庭隧道 4 6 m、 北段 1 3 4 In， 建筑 面积 1 1 4 2 4 i n 。为 了有效地预测和 降低 相邻地下 工程相互作用带来的隐患和风险 ， 及时准确地评估 人防工程结构的运行状况和损伤程度， 提高快速反 应能力 ， 需要研究并设计该人防工程安全监测方案 ， 以便为该人防工程的安全运营提供有效的技术支持 与保障。 按照最不利受力位置与尽可能考虑传感器方便 走线的原则 ， 选取梁 、 板 、 柱及墙等构件在各种工况 下最大应变出现 的位置作为控制点 ， 布设光纤光栅 应变传感器以及温度补偿传感器， 同时为监测板、 地 基梁、 墙等构件大范围内的变形及损伤信息， 布设了 全分布式埋人式 B O T D A R F R P O F传感器H 引。 3 B O T D R测试系统的改进方案 目前， 对于布里渊散射的分布式光纤传感技术 的研究还只是基于单根光纤并在光纤轴向上探测信 息的一维传感， 随着探测范围和信息量的增大其局 限性将会增大 ， 因此一种可对二维平面分布信息进 行有效传感和提取的监测系统将具有很好的应用前 景和商业价值， 为此， 作者对 B O T D R测试系统的传 感光纤布置提出改进方案 ， 以期能达到较好 的效果。 改进后的 B O T D R测试系统组成如图 4所示。 图 4改进后 的 B O T D R测试 系统 F i g 4 T he i mp r o v e d BOTDR t e s t i n g s y s t e m 此系统是将原 B O T D R测试系统传感光纤沿轴 线布置改为在一个平面内螺旋式布置， 这样传感光 纤就可以对其覆盖的平面区域内分布的信息进行提 取； 改变传感光纤的间距大小， 可实现对测量灵敏度 和精度的控制 。 4 结 论 光纤传感器虽有其他传感器无法比拟的优点， 并已在众多领域被应用， 但在应用过程中尚存在一 3 7 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 些问题有待解决。 1 ) F B G传感器的封装工艺， 不仅要满足对裸光 纤光栅保护的作用， 还要有效地降低封装工艺的成 本， 从而使其大规模应用于实际工程中。 2 ) F B G传感器的增减敏技术， 应简单有效地满 足实际工程中对裂缝等大应变工况或某些高精度监 测工况的要求 。 3 ) 提高 B O T D R测试系统的空间分辨率， 通过 采用特殊 的光纤铺设方法或者对布里渊频谱进行再 分析 ， 可以得到较高空间分辨率和应变测量精度 。 4 ) B O T D R测试系统传感光纤的优化布置 ， 对于 结构的高变形区以及易损部位的监测， 需要考虑结 构的受力特点合理布设光纤。 随着光纤传感技术的日 益成熟和进一步的商业 化， 可以预见在不久的将来， 光纤传感器势必将取代 传统的传感器， 从而创造出更大的经济效益和社会 效益。 参 考 文 献 ： 1 C s i p k e 8 A ， F e r g u s o n S ， G r a v e r TW， e l a1 T h e m a t u r i n g o f o p t i c a l s e n s i n g t e c h n o l o g y f o r c o mme r c i a l a p p l i c a t i o n s ： S ma r t a n d a d v a n c e d s e n s o l： Th e 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n S t r u c tur a l He a l t h Mo n i t o rin g of I n t e l l i g e n t I n fr a s t r u c t u re ， S e n z h e n， No v e m b e r l 6 1 8 ， 2 0 0 5 C L o n d o n ： T a y l o rF r a n c i s B al k e m a ， 2 0 0 6 ： 3 7 9 - 3 8 0 2 I n a u d i D， G l i s i c B A p p l i e a t i o n of D i s t r i b u t e d F i b e r O p t i c S e n s o r for S HM ： S ma r t a n d a d v a n c e d s e n s o r s ： Th e 2n d l n t e r n a t i O n al C o n - f e r e n c e o n S t mc t u r a 1 He a l t h Mo n i t o ri n g of I n t e l l i g e n t l nfr a s t r u e t u r e ， S e n z h e n ， N o v e m b e r l 6 1 8 ， 2 0 0 5 c L o n d o n ： T a y l o r &F r a n e i s Balk e ma， 2 0 06： 1 6 3 1 6 4 3 H i l l K O ， M al o B ， B i l o d e a u F ， e t a1 B r a g g G r a t i n g F a b ri c a t e d i n Mo n o mo d e P h o t o s e n s i t i v e Op t i c a l F i b e r b y UV E x p o s u re Th r o u g h A P h a s e M a s k J A P P l i e d P h y s i c a l L e t t e r ， 1 9 9 3 ( 6 2 ) ： 1 0 3 5 1 0 3 7 4 A n d e r s o n D Z ， M i d i V ， E r d o g a n T ， e t a1 P r o d u c t i o n of I n fi b e r G r a t i n g U s i n g A D i ff r a c t i v e O p t i c a l E l e m e n t J E l e c t ro n i c s Let t e r 8 ， 1 9 9 3 ( 2 9 )： 5 6 6 - 5 6 8 5 B r a n k o G l i i ， D a n ie l e l n a u d i F I B E R O P T I C M E T H O D S F O R S T R U C T U R A L H E A L T H M O N I T O R I N G M C h i c h e s t e r ： W i l e y - I n t e r s c i e n c e ， 2 0 0 7： 2 5 - 3 5 6 田石柱， 赵雪峰， 杨卫东 布拉格光栅传感器在土木工程中的 应用 J 世界地震工程， 2 0 0 2 ， 1 8 ( 3 ) ： 1 4 61 5 2 7 项连清， 李宏男， 任亮， 等 F B G传感器在碾压仿真混凝土大 坝模型实验中的应用 J 世界地震工程。 2 0 0 6 ， 2 2 ( 4 ) ： 2 7 3 4 8 李晓娟， 杨 志 布里渊分布式光纤传感技术的分类及发展 J 电力系统通信， 2 0 1 l ， 3 2 ( 2 2 0 ) ： 3 5 - 3 6 9 崔何亮， 施斌， 徐洪钟。 等 B O T D R光纤温度监测技术在土 木工程中的应用研究 J 防灾减灾工程学报， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 3 ) ： 2 5 2-25 3 1 O 张嘉一 基于布里渊散射理论的分布式测量技术 J 科技信 息 ， 2 0 1 0( 2 6 ) ： 5 1 4 1 1 葛捷 分布式布里渊光纤传感技术在海堤沉降监测中的应 用 J 岩土力学， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 6 ) ： 1 8 7 6 1 8 7 9 1 2 何建平 全尺度光纤布里渊分布式监测技术及其在土木工程 的应用 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 1 0 ： 1 5 4 1 5 9 ( 上接第 3 2 2页) 化率为 0 6 6 8 ， 冷负荷变化率为 1 0 3 2 ( 图 5 ) 。 4 0 00 0 0 2D O O O0 O OO 0 o0 8 0o 0 0 0 6 0 o 0 00 40 o 0 O0 2 0 o 0 00 O +冷负荷 十热负荷 * 一 总负荷 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 窗墙比 图5 北向不同窗墙比下的负荷曲线 3 结 论 通过软件模拟计算， 得到结论如下。 各个朝向窗墙面积比的增大都会导致总负荷的 提高， 增大窗墙面积比， 对热负荷的影响是， 北向最 大， 其次是东向， 南向第三， 西向最小； 对冷负荷的影 响是， 西向最大， 其次是南向， 北向第三， 东向最小； 对总负荷的影响是， 西向最大， 其次是南向， 北向第 三 ， 东向最小。 形成上述结果是 由于窗户对建筑能耗有两方面 的主要影响： 一是窗户透过太 阳辐射导致建筑室 内 辐射得热； 二是通过窗内外的温差得热。在窗的传 热系数及气密性一定的情况下 ， 窗的遮阳系数是最 重要的影响因素。中国位 于北半球 ， 当太阳照到西 向和南向时， 正是一天中太阳辐射最大的时候， 而东 向和北向则受太阳的影响较小 ， 西 向和南 向的窗墙 面积比就成为建筑负荷影响较大的因素。 综上所述 ， 在满足采光与通风要求的前提下 ， 对 于西安地区， 在住宅建筑设计时， 应尽量减少西向窗 墙面积 比， 北向窗墙 比也不宜过大 ， 南 向窗墙面积比 可较大 。 参 考 文 献： 1 张峰， 郑庆红 窗墙面积比对建筑能耗的影响 J 广西建 筑 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 2 4 -2 6 2 常静， 李永安 居住建筑窗墙面积比对供暖能耗的影响研究 J 暖通空调， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 5 ) ： 1 0 9 - 1 1 2 3 简毅文， 江忆 窗墙比对住宅供暖空调总能耗的影响 j 暖 通空调 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 6 ) ： 1 - 5