在水布埡面板壩安全監(jiān)測(cè)中光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用

引言

大壩的投資大、效益高、在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(gè)龐大的水庫(kù)，一旦失事，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的損失是巨大的。本文對(duì)光纖Bragg光柵的溫度/ 應(yīng)變傳感特性進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究;探索其布設(shè)工藝以及在大壩施工過(guò)程、長(zhǎng)期應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)在光纖內(nèi)部寫(xiě)入的光柵反射或透射波長(zhǎng)光譜的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對(duì)測(cè)量，其傳感原理如圖1所示。而光纖光柵的反射或透射波長(zhǎng)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(gè)參量發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起反射或透射波長(zhǎng)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(zhǎng)漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量，因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢(shì)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)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(zhǎng)識(shí)別系統(tǒng)采用美國(guó)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(duì)Bragg反射譜中心波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)，波長(zhǎng)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(yàn)原理及結(jié)果分析

水庫(kù)大壩周邊縫某處出現(xiàn)滲漏時(shí)，該處的水將會(huì)通過(guò)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(dòng)。水在流動(dòng)過(guò)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(cè)出這個(gè)溫度變化即可判斷出滲漏點(diǎn)發(fā)生的位置。采用多個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)大壩周邊縫滲流監(jiān)測(cè)。

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫媸疽鈭D如圖2 所示，將光纖光柵傳感器鋪設(shè)于試驗(yàn)水槽下方，水槽采用壩體附近的土石以盡量接近實(shí)際效果。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝媸疽鈭D如圖3所示。將中心波長(zhǎng)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(guò)砝碼加載。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫媸疽鈭D

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝媸疽鈭D

本次模擬試驗(yàn)選擇三個(gè)滲流點(diǎn)進(jìn)行二次試水試驗(yàn)觀察滲流點(diǎn)處探頭試水前后溫度變化過(guò)程試驗(yàn)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(lái)的溫度變化曲線。

圖4 2#通道測(cè)試點(diǎn)溫度

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)發(fā)生滲流時(shí)，由于溫度變化使其中心波長(zhǎng)與溫度的相關(guān)系數(shù)很高，并沒(méi)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(cè)量，實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的測(cè)量。

3.光纖光柵健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

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

進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，光纖傳感器測(cè)量到的壩體實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)傳輸與采集系統(tǒng)送到監(jiān)測(cè)中心，進(jìn)行相應(yīng)的處理和判斷，從而對(duì)壩體的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。若監(jiān)測(cè)到的關(guān)鍵健康參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閥值，則通過(guò)即時(shí)信息通知相關(guān)的管理機(jī)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(cè)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(wèn)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(jìn)技術(shù)和工藝。在大壩的安全監(jiān)測(cè)方面，經(jīng)過(guò)綜合比較，最終確定采用武漢理工大學(xué)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光纖光柵滲流(溫度)/面板應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一套完整的、具有現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)和管理水平的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)事故檢測(cè)及緩解措施，充分體現(xiàn)運(yùn)行可靠，反應(yīng)及時(shí)，監(jiān)控準(zhǔn)確的特點(diǎn)

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(cè)中，為進(jìn)一步的工程應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性方面，非常適合大壩、橋梁等工程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需要。光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器可以有效地監(jiān)測(cè)大壩的施工過(guò)程，在實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩整個(gè)生命周期的監(jiān)測(cè)，大壩的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估方面具有極大的應(yīng)用潛力和前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] Nellen M.,et al.,“Optical fiber Bragg grating for structural monitoring in civil engineering”. 16th Congress of IABSE on Structural Engineering for Meeting Urban Transportation Challenges, 2000

[2] Schulz W. L. et al., "Progress on Monitoring of Adhesive Joints using Multiaxis Fiber Grating Sensors", SPIE Smart Structures Conference, Newport Beach. March 2000.

[3] Brǒnnimann R。et al。，“Application of optical fiber sensors on the power dam of luzzone”。SPIE 1998，3407，386-391

[4] 姜德生，RichardO.Claus. 智能材料器件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 武漢工業(yè)大學(xué)出版社2000.3