王 蓉 川

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

光纖光柵傳感是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型全光纖無源器件，在光學(xué)傳播技術(shù)領(lǐng)域中，光纖技術(shù)發(fā)展非常迅速，已在有錨固預(yù)應(yīng)力技術(shù)的斜拉橋、立交橋等大型土木建筑物中應(yīng)用，解決了監(jiān)測大型工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、強(qiáng)度等難題。工程邊坡的穩(wěn)定影響到人類生存條件與環(huán)境，它們的變形與失穩(wěn)是對人類的直接性災(zāi)害。自然因素如地震、降雨洪水、泥石流等；人為因素如土地開發(fā)、森林濫伐都是造成邊坡變形、失穩(wěn)的直接因素。目前，應(yīng)用于水電工程邊坡上的錨索監(jiān)測主要采用常規(guī)的電測法，無法滿足錨索的長期監(jiān)測要求。其原因，一方面是與錨索直接聯(lián)系的工作條件十分惡劣，對傳感器的防水、防潮、防裂、防腐等要求高，給錨索的長期監(jiān)測帶來很大的困難，也直接影響了儀器的可靠性和使用壽命；另一方面是錨索的破壞機(jī)制復(fù)雜，目前還沒有一種能較全面地反映出這種機(jī)制。近十年來，光纖監(jiān)測技術(shù)漸趨成熟，已成為水利水電建設(shè)事業(yè)不可缺少的一個(gè)組成部分，尤其是光纖光柵傳感技術(shù)比一般的光纖傳感器具有更大的優(yōu)越性，其應(yīng)用也需探討、總結(jié)和提高。

2 光纖光柵傳感原理

光纖光柵傳感是通過光纖作為光波的傳輸媒質(zhì)，在光波傳播過程中，表征出光波的特征參量如振幅、相位、偏振態(tài)、波長等，因外界因素的作用而使光纖光柵傳感器直接或間接地發(fā)生變化，通過光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射Bragg波長光譜檢測，實(shí)現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的監(jiān)測。其傳感原理如圖1所示[2]，根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)一寬光譜光源注入光纖，會(huì)產(chǎn)生模式耦合，F(xiàn)BG光柵將反射回一個(gè)中心波長為Bragg波長的窄帶光波，其Bragg波長為[2]：

λB=2neffΛ

式中Λ——光柵周期;

neff——纖芯的有效折射率。

光纖光柵的反射或透射波長光譜主要取決于光柵周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移，從而將導(dǎo)致FBG波長的改變。例如當(dāng)沿光纖光柵軸向施加應(yīng)力時(shí)，光纖產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致光柵的Bragg波長發(fā)生漂移，這個(gè)改變可以從光柵的反射光譜中檢測出來，并且將這個(gè)改變的Bragg波長與以前沒受激勵(lì)影響時(shí)的Bragg波長進(jìn)行比較，可以測定光柵受激勵(lì)程度，然后通過標(biāo)定漂移和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算與分析，可以得到不同點(diǎn)上所受到的溫度和應(yīng)變的大小，這就是光纖光柵的應(yīng)變效應(yīng)。

光柵被拉伸或壓縮，都勢必導(dǎo)致光柵周期Λ的變化，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[2]，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。由于拉、壓應(yīng)力都能對其產(chǎn)生Bragg波長的變化，因此該傳感器在錨索結(jié)構(gòu)檢測中具有優(yōu)異的變形匹配特性，其動(dòng)態(tài)范圍大(達(dá)10 000με)，并且線性度好?；诖嗽淼墓饫w光柵應(yīng)變傳感器是以光的波長為最小計(jì)量單位的，目前對光纖光柵Bragg波長移動(dòng)的探測達(dá)到了Pm量級的高分辨率，因而比一般的光纖傳感器具有測量靈敏度高、與光強(qiáng)無關(guān)和更高抗干擾能力的特點(diǎn)。另一方面，在應(yīng)變測量中，為了克服溫度對測量的影響，在監(jiān)測系統(tǒng)可采用同種溫度環(huán)境下的光纖光柵溫度進(jìn)行補(bǔ)償。不同的光纖光柵傳感器具有不同的工作波長，因此可以利用波分復(fù)用技術(shù)，多個(gè)光纖光柵傳感器可以通過一根光纖級串聯(lián)進(jìn)行監(jiān)測，在光纖一端實(shí)現(xiàn)多個(gè)光柵信號的檢測，每個(gè)FBG傳感器同時(shí)產(chǎn)生中心波長的改變，進(jìn)一步集合成分布傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1 光纖光柵原理

3 光纖光柵傳感在邊坡工程中的應(yīng)用

3.1 邊坡工程監(jiān)測特點(diǎn)

大崗山水電站是大渡河干流近期開發(fā)的大型水電工程之一，擋水建筑物為壩高達(dá)210m的雙曲拱壩。壩址區(qū)地應(yīng)力較高，巖脈、擠壓破碎帶、斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育。地震基本烈度為Ⅷ度，工程區(qū)處于由磨西斷裂、大渡河斷裂和金坪斷裂所圍限的黃草山斷塊的西側(cè)邊緣。西側(cè)4km、4.5km處分別有大渡河、磨西活動(dòng)斷裂通過，工程區(qū)構(gòu)造主要受磨西斷裂所控制，穩(wěn)定性相對較差。

由于大崗山邊坡特殊的地質(zhì)條件，對預(yù)應(yīng)力錨索的損失控制和監(jiān)測儀器精度要求很高，如果因?yàn)橐饬现獾脑蛟斐蛇^大的預(yù)應(yīng)力損失，使總體錨固力低于錨索結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行需要的加固力，則邊坡將發(fā)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)。因此，擬采用光纖光柵錨索測力計(jì)監(jiān)測，其目的是更有效對工程邊坡預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行控制，對施工質(zhì)量和錨固效果作出分析評價(jià)；并驗(yàn)證錨索預(yù)應(yīng)力損失穩(wěn)定后的實(shí)際永存荷載。

3.2 光纖光柵傳感的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)監(jiān)測儀器相比光纖光柵傳感具有如下優(yōu)勢：

(1)傳感精度和數(shù)據(jù)采集數(shù)量極大提高。由于光纖自身具有集傳感和傳輸于一身的特點(diǎn)，能很好地實(shí)現(xiàn)對錨索的全光在線檢測，采集的數(shù)據(jù)量也分布于整個(gè)空間，可同時(shí)檢測多種參量(溫度、應(yīng)變、壓力、位移等)。由于在確定的邊坡工程中，其應(yīng)力和光路信號衰減成唯一關(guān)系。因此，當(dāng)光路的衰減量被檢測到后，其應(yīng)變、溫度及位置即可確定，并且具有傳感精度、靈敏度極高和使用壽命長的特點(diǎn)。

(2)抗各種電磁干擾能力強(qiáng)。水電邊坡工程中都有較強(qiáng)的電磁場，對監(jiān)測儀器的選擇要求較高，而光纖傳感器由于具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力，不需要屏蔽、接地和雷電保護(hù)，免去一部分防雷措施，降低了成本。

(3)系統(tǒng)長期穩(wěn)定性好。具有良好的防水性、耐腐蝕、高絕緣、高耐壓，以及具有波長分離能力強(qiáng)、對環(huán)境干擾不敏感、獨(dú)有溫度補(bǔ)償技術(shù)等特點(diǎn)，使得監(jiān)測系統(tǒng)能達(dá)到長期穩(wěn)定的效果。

(4)具有智能化的發(fā)展趨勢。光纖檢測信息損耗量小，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信、遠(yuǎn)距離監(jiān)控。與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接后，能實(shí)現(xiàn)自檢測、自診斷的智能化檢測。

3.3 光纖光柵傳感的布設(shè)

將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于大崗山拱壩抗力體邊坡加固的部分巖體預(yù)應(yīng)力錨索上進(jìn)行科研試驗(yàn)，對所布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)PRLKL-1、PRLKL-2、PRLKL-5進(jìn)行串連，構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，了解和監(jiān)測工程邊坡在施工期、蓄水期和運(yùn)行期的工作狀態(tài)，見圖2。邊坡采用的錨索測力計(jì)為高強(qiáng)度的合金圓筒，筒體內(nèi)置4個(gè)高精度的光纖光柵作為敏感元件，當(dāng)被測載荷作用在錨索測力計(jì)上時(shí)，將引起彈性圓筒的變形并傳遞給光纖光柵，光信號經(jīng)光纜傳輸至光纖光柵分析儀上，即可測讀出應(yīng)力值，從而計(jì)算出作用在錨索測力計(jì)的總荷載值，以及不均勻荷載或偏心荷載。其中內(nèi)置的一個(gè)光纖光柵傳感用作溫度傳感器可以監(jiān)測環(huán)境溫度并提供溫度補(bǔ)償，由鎧裝光纜輸出信號，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)30km ，將測量信號傳輸至監(jiān)測儀器實(shí)現(xiàn)在線24小時(shí)持續(xù)監(jiān)測。

圖3所示為光纖光柵錨索傳感器的安裝示意圖。3個(gè)傳感器探頭由光纜串接后形成傳感器網(wǎng)絡(luò)與光纖光柵解調(diào)儀相連接，然后解調(diào)儀對光纖光柵Bragg波長移動(dòng)進(jìn)行探測，將相關(guān)的采集數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示，并換算為應(yīng)變。

圖2 拱壩抗力體邊坡光纖光柵錨索測力計(jì)平面布置

圖3 光纖光柵錨索測力計(jì)安裝示意

3.4 工程應(yīng)用中光纖光柵傳感系統(tǒng)構(gòu)成

光纖光柵傳感系統(tǒng)主要包括：光源、傳感器和光開關(guān)組成的傳感網(wǎng)絡(luò)和光纖光柵調(diào)解儀、服務(wù)器及具有遠(yuǎn)程監(jiān)視功能的客戶端。

(1)光源。在光纖光柵傳感中光源有較寬的帶寬和較強(qiáng)的輸出功率與穩(wěn)定性, 以滿足傳感系統(tǒng)中多點(diǎn)多參量測量的需要。目前在光纖光柵傳感系統(tǒng)中常用的光源主要有SLED、ASE光源。輸出功率大約為1-20mw。

(2)光纖光柵傳感器。邊坡布設(shè)的3個(gè)光纖光柵錨索測力計(jì)，量程為2 000kN，實(shí)現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感, 即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵波長移動(dòng), 使得由光纖光柵波長移動(dòng)無法區(qū)分溫度與應(yīng)變。因此, 可通過外置溫度補(bǔ)償環(huán)或利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵，構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器來確定不同光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)來區(qū)分溫度與應(yīng)變。

(3)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。3個(gè)不同位置的監(jiān)測點(diǎn)使用了單芯連接的光纜及光纜保護(hù)管直接將傳輸信號引入中心監(jiān)控室的信息處理及分析系統(tǒng)上。

(4)光纖光柵調(diào)解儀。光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀主要用于數(shù)據(jù)采集、信號處理和儲(chǔ)存等；然后通過光纖傳輸系統(tǒng)到監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)[3]。在大崗山抗力體邊坡光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)中, 光纖光柵信號的解調(diào)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，采用了便攜式高分辯率光纖光柵解調(diào)儀(精度±5pm，分辯率1pm)，主要包括兩部分：一部分為光纖光柵傳感探測信號處理器，包括系統(tǒng)的信息收集、處理和傳送等，完成光信號波長信息到電信號的轉(zhuǎn)換，其中傳感器的中心反射波長的分析是解調(diào)的關(guān)鍵；另一部分為電信號處理(即計(jì)算機(jī)軟件)，包括信息處理、分析、傳送、儲(chǔ)存管理、預(yù)警、報(bào)警功能，完成對電信號的運(yùn)算處理。

(5)服務(wù)器及客戶端。服務(wù)器主要是通過特定的命令字從光纖光柵調(diào)解儀中采集數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理，以圖形和文本兩種方式加以顯示，記錄變化的Bragg波長，完成與多個(gè)客戶端的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

客戶端主要是向服務(wù)器以查詢某段時(shí)期內(nèi)的波長信息。

3.5 光纖光柵數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

為了能客觀、及時(shí)地反映張拉過程中及張拉過后的錨索的應(yīng)力情況，就需要及時(shí)地采集和記錄傳感器的參量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成與光纖光柵調(diào)解儀連接并設(shè)置和查詢啟止波長、采集特定波長范圍內(nèi)光柵反射峰的功率，基于光開關(guān)拓樸而成的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)[4]，MSComm控件在串口通信下實(shí)現(xiàn)傳感通道間的切換。同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示等功能。

光纖光柵監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，采用圖形和文本兩種方式顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示視圖是顯示所有通道的傳感器波長的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)曲線視圖顯示傳感器波長的實(shí)時(shí)曲線，圖形間可通過單選框切換來決定，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的優(yōu)化。不同的圖形設(shè)有不同的坐標(biāo)格式[4]。每臺(tái)光纖光柵錨索測力計(jì)均附有一張檢測表，檢測表上給出了各光柵的中心波長，以及溫度、應(yīng)力的計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)。用于應(yīng)力測量的4 條光柵，在計(jì)算時(shí)取其平均值作為初時(shí)或當(dāng)前的波長讀數(shù)，檢測表上給出的波長也即各光柵波長讀數(shù)的平均值(即(FBG1+FGB2+FBG3+FBG4)/4)[4]。而測溫光柵(即FBG-T)將做為一個(gè)獨(dú)立的傳感器，用于溫度計(jì)算或應(yīng)力的溫度補(bǔ)償計(jì)算。

4 結(jié)束語

光纖光柵傳感技術(shù)是當(dāng)代高科技的結(jié)晶，一種先進(jìn)的檢測技術(shù)，是一種理想的工程邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)，不受惡劣環(huán)境的干擾和影響，具有精度高、長期穩(wěn)定性好、操作簡便迅速的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測，具有非常獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，并有極大的推廣應(yīng)用前景。本文通過對邊坡選取部分預(yù)應(yīng)力錨索使用光纖光柵傳感器作為科研試驗(yàn)對象，實(shí)現(xiàn)對錨索的預(yù)應(yīng)力監(jiān)測，并為光纖光柵傳感技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用和推廣積累工程經(jīng)驗(yàn)。如果再進(jìn)一步將更多的光纖光柵傳感器組成光纖測量網(wǎng)絡(luò)，探索一條用于邊坡工程結(jié)構(gòu)錨索監(jiān)測與狀態(tài)評估的技術(shù)新途徑，將會(huì)有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。近年來,隨著我國日益增多的水利水電工程和已建工程邊坡時(shí)間的增長，利用光纖監(jiān)測的重要性日益顯出。如何進(jìn)一步使其在水電建設(shè)廣泛應(yīng)用，是目前面臨的核心問題。我們將充分應(yīng)用光纖監(jiān)測成果，反饋工程整體的工作性態(tài)及評估邊坡安全度和可靠度。另外，對錨索進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，有利于對錨索設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確評價(jià)，在科學(xué)研究中也具有重要的意義。

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