光纖光柵傳感器在水布埡面板壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用

引言

大壩的投資大、效益高、在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用，與人民的生活也休戚相關(guān)。一個龐大的水庫，一旦失事，造成人民生命財產(chǎn)的損失是巨大的。本文對光纖Bragg光柵的溫度/ 應(yīng)變傳感特性進行分析和試驗研究;探索其布設(shè)工藝以及在大壩施工過程、長期應(yīng)變監(jiān)測中的技術(shù)。

1.光纖光柵應(yīng)變傳感特性

光纖 Bragg光柵傳感技術(shù)是通過對在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射波長光譜的檢測，實現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對測量，其傳感原理如圖1所示。而光纖光柵的反射或透射波長光譜主要取決于光柵周期L和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起反射或透射波長的漂移即有： DlB="2neff"·DL （1）

圖1. 光纖布喇格光柵傳感原理

在所有引起光柵Bragg波長漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量，因為無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，都勢必導(dǎo)致光柵周期L變化，并且光纖本身所具有彈光效應(yīng)使得有效折射率neff也隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化，這為采用光纖Bragg光柵制成光纖應(yīng)變傳感器提供了最基本的物理特性。

2.光纖光柵溫度傳感試驗

2.1 試驗設(shè)備及材料

本文采用的是武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)中心生產(chǎn)的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器。接頭采用通用的光纖FC/APC跳線頭。Bragg中心波長識別系統(tǒng)采用美國Micron Optics公司生產(chǎn)的FBG-IS（Fiber Bragg Grating —Interrogation System）光纖光柵解調(diào)器。該儀器基于F-P（Fabry-Perrot）干涉原理對Bragg反射譜中心波長進行解調(diào)，波長分辨率為1pm，掃描范圍為1283-1312nm, 掃描頻率：50Hz。

2.2 應(yīng)變傳感試驗原理及結(jié)果分析

水庫大壩周邊縫某處出現(xiàn)滲漏時，該處的水將會通過壩體表面的縫隙滲透到壩體內(nèi)，并在壩體內(nèi)沿縫隙流動。水在流動過程中，導(dǎo)致此處壩體的溫度發(fā)生改變，利用光纖光柵溫度傳感器檢測出這個溫度變化即可判斷出滲漏點發(fā)生的位置。采用多個光纖光柵溫度傳感器可以構(gòu)成分布傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)對整個大壩周邊縫滲流監(jiān)測。

本試驗模型平面示意圖如圖2 所示，將光纖光柵傳感器鋪設(shè)于試驗水槽下方，水槽采用壩體附近的土石以盡量接近實際效果。試驗?zāi)Ｐ蛿嗝媸疽鈭D如圖3所示。將中心波長為1296.5、 1298.5nm的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器用102膠粘劑粘貼于發(fā)熱電纜上，并在相應(yīng)位置布設(shè)高精度電阻應(yīng)變片，通過砝碼加載。

圖2 試驗?zāi)Ｐ推矫媸疽鈭D

圖3 試驗模型斷面示意圖

本次模擬試驗選擇三個滲流點進行二次試水試驗觀察滲流點處探頭試水前后溫度變化過程試驗數(shù)據(jù)記錄如圖4。其中2-1;2-2;2-3;2-4;2-5分別是處于一根單模光纖上不同位置的Bragg光柵所反映出來的溫度變化曲線。

圖4 2#通道測試點溫度

從試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)發(fā)生滲流時，由于溫度變化使其中心波長與溫度的相關(guān)系數(shù)很高，并沒有遲滯現(xiàn)象，它們存在很好的線性關(guān)系。證明了光纖Bragg光柵是一種十分理想的溫度傳感元件;這與理論分析結(jié)果吻合很好。而且傳感器的一致性良好，非常有效于大面積貼片測量，實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的測量。

3.光纖光柵健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

光纖智能健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下三部分構(gòu)成：光纖傳感器系統(tǒng)，信號傳輸與采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測系統(tǒng)。如圖5

圖5 光纖Bragg光柵傳感器（FBG） 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)

進行監(jiān)測時，光纖傳感器測量到的壩體實時狀態(tài)信號經(jīng)過信號傳輸與采集系統(tǒng)送到監(jiān)測中心，進行相應(yīng)的處理和判斷，從而對壩體的健康狀態(tài)進行評估。若監(jiān)測到的關(guān)鍵健康參數(shù)超過設(shè)定的閥值，則通過即時信息通知相關(guān)的管理機構(gòu)，以便采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

4.光纖光柵傳感器在面板壩工程安全監(jiān)測中的應(yīng)用

水布埡大壩作為目前世界第一高度混凝土面板堆石壩，其中的很多工程技術(shù)問題都是世界性難題，要探索并解決這些難題需要采用大量的先進技術(shù)和工藝。在大壩的安全監(jiān)測方面，經(jīng)過綜合比較，最終確定采用武漢理工大學(xué)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光纖光柵滲流（溫度）/面板應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一套完整的、具有現(xiàn)代化監(jiān)測和管理水平的安全監(jiān)測系統(tǒng)，加強事故檢測及緩解措施，充分體現(xiàn)運行可靠，反應(yīng)及時，監(jiān)控準(zhǔn)確的特點

5.結(jié)論

本文成功地將光纖 Bragg光柵溫度傳感器和應(yīng)變傳感器應(yīng)用到大壩的施工監(jiān)測中，為進一步的工程應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗，監(jiān)測的結(jié)果表明：光纖光柵應(yīng)變傳感器具有優(yōu)越的傳感性能，特別是在長期穩(wěn)定性方面，非常適合大壩、橋梁等工程長期監(jiān)測的需要。光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器可以有效地監(jiān)測大壩的施工過程，在實現(xiàn)對大壩整個生命周期的監(jiān)測，大壩的長期健康監(jiān)測和安全評估方面具有極大的應(yīng)用潛力和前景。