竇 超

(唐山學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，河北 唐山 063000)

光纖傳感技術(shù)在水利安全監(jiān)測中的應(yīng)用

竇 超

(唐山學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，河北 唐山 063000)

對布拉格光纖光柵(FBG)和基于光散射的分布式光纖測溫技術(shù)原理進行闡述。經(jīng)比較，基于拉曼散射的分布式測溫系統(tǒng)性能良好，更易實現(xiàn)。同時探討了光纖傳感與計算機技術(shù)融合的智能光纖監(jiān)測系統(tǒng)在大壩水利安全監(jiān)測中的應(yīng)用。

FBG傳感器；分布式光纖測溫；拉曼散射；智能監(jiān)測系統(tǒng)；水利安全監(jiān)測

0 引言

隨著國家不斷加大大型基礎(chǔ)建設(shè)的投入力度，越來越多的水利工程建成并投入使用。因為外界環(huán)境的影響和內(nèi)在物理特性的動態(tài)異變，這些水利工程隨時存在安全隱患，一旦事故發(fā)生，將造成難以挽回的重大經(jīng)濟損失和社會影響。因此，對水利工程的遠距離實時安全監(jiān)測是十分必要的。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測大都是利用電子傳感器來完成的，但是這種監(jiān)測手段本身有一定的局限性，比如測量精度不高，傳感器布線及安裝困難，使用壽命短，工作環(huán)境受限制等，所以尋找一種方便、快捷、高效的監(jiān)測系統(tǒng)對實際工程有著重要意義。在這樣的背景下光纖傳感技術(shù)快速發(fā)展起來。

1 光纖傳感技術(shù)簡介

光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測器及解調(diào)器組成。其基本原理是將光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū)，光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界的溫度、壓力、位移、流速等參數(shù)相互作用，使光波的振幅、波長、相位、強度等發(fā)生改變，成為調(diào)制后的信號光，再經(jīng)出射光纖送入光探測器、解調(diào)器，通過對光波的解析即可獲得被測參數(shù)[1]，其流程如圖1所示。目前，光纖傳感器多用于應(yīng)變與溫度參量的測量，如果需要監(jiān)測其他環(huán)境因素，需要借助特殊裝置將其變化轉(zhuǎn)化為應(yīng)變或溫度的變化實現(xiàn)測量[2-3]。

圖1 光纖傳感器工作流程

因為光纖傳感器易與光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接，損耗小，所以當(dāng)監(jiān)測對象為橋梁、大壩等大型建筑物時，多采用分布式光纖傳感技術(shù)構(gòu)成傳感系統(tǒng)。以分布式測溫技術(shù)為例，主要分為兩類：基于光復(fù)用技術(shù)的光纖光柵測溫技術(shù)和基于光散射的分布式光纖測溫技術(shù)[4]。

1.1 基于光復(fù)用技術(shù)的光纖光柵分布式測溫技術(shù)

FBG傳感器是應(yīng)用最廣的光纖光柵傳感器。在紫外線的照射下，摻鍺或摻鉺的光纖折射率會發(fā)生永久性改變。利用這一原理，可以將光柵直接“寫入”光纖中，形成光纖光柵[5]。應(yīng)變和溫度的變化會對FBG的有效折射率和柵距產(chǎn)生影響，從而使得FBG的特征波長發(fā)生偏移。當(dāng)入射光在光柵中傳輸?shù)臅r候，與特征波長一致的光將被反射回來，其他波長的光順利通過光柵，通過分析反射光的波長，可以測量應(yīng)變和溫度[6-7]。

FBG特殊之處在于很容易在同一根光纖中連續(xù)“寫入”多個不同柵距的光纖光柵，這樣可以同時測定若干部位相應(yīng)的物理量及其變化。例如將光纖埋入工程結(jié)構(gòu)的內(nèi)部或貼裝在其表面，就可以實現(xiàn)溫度、壓力、應(yīng)變等多點監(jiān)測，實現(xiàn)分布式傳感測量[7]。FBG傳感器感應(yīng)信息用波長編碼，不受光源功率的波動和光纖損耗的影響，在極端天氣狀態(tài)下(如洪水期間)也能正常工作，所以既可以應(yīng)用于水庫以及大壩的日常安全監(jiān)測，也可以應(yīng)用于汛期防洪預(yù)警[8]。

1.2 基于光散射的分布式光纖測溫技術(shù)

光散射型分布式光纖測溫技術(shù)是用激光發(fā)射器，向所連接的探測光纜發(fā)送高功率的激光脈沖，由于光纖介質(zhì)的不均勻性，光在光纖中發(fā)生散射，其后向散射光有3種組分：瑞利散射光、布里淵散射光和拉曼散射光，光譜如圖2所示[9]。在外界環(huán)境因素的影響下，光纖中的后向散射光光強會發(fā)生變化，通過光時域反射技術(shù)或光頻域反射技術(shù)分析這一參數(shù)，可得出溫度的空間分布規(guī)律。目前最為成熟的是基于拉曼散射的測溫技術(shù)。拉曼散射光含有兩種成分：斯托克斯光和反斯托克斯光。其中斯托克斯光與溫度無關(guān)，而反斯托克斯光的強度隨溫度的變化而變化[10]。直接測量拉曼反射光中兩種光成分之比，測量的數(shù)值與絕對值無關(guān)，即使光纖隨時間推移而老化，光損耗增加，仍可以保證溫度測量的精度。

圖2 后向散射光譜示意圖

1.3 兩種分布式光纖測溫技術(shù)的對比

光散射型分布式光纖測溫技術(shù)可以解決許多工程領(lǐng)域的測量難題，與光纖光柵分布式測溫技術(shù)的對比如表1所示[7，9，10]。

1.4 光纖傳感器的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器有很多優(yōu)點：①光波不產(chǎn)生也不怕電磁干擾，測量對象廣泛，適于多種物理量的觀測。②光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量輕，易彎曲，不影響埋設(shè)點物性。③工作頻率寬，動態(tài)范圍大，傳輸線損耗低，傳輸距離遠，光纖傳感的監(jiān)測距離最遠可達80 km以上[11]。④耐水性、電絕緣性好，耐腐蝕，抗電磁干擾，特別適合在易燃易爆及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。這些優(yōu)點使得光纖傳感器技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景。

表1 分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)缺點及應(yīng)用

2 智能光纖監(jiān)測系統(tǒng)

因為水利工程大多規(guī)模龐大、地域分布廣、監(jiān)測項目和測點多、監(jiān)測的數(shù)據(jù)量巨大，所以目前的光纖傳感改變了以往僅由單個或多個敏感元件進行信號轉(zhuǎn)換的形式，而將傳感與通信技術(shù)及計算機技術(shù)相融合，組建成集信號獲取、存儲、傳輸、處理于一體的多功能智能監(jiān)測系統(tǒng)?；诠饫w傳感的智能材料可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境變化的判斷、適應(yīng)、診斷、修復(fù)等功能，使得光纖傳感在許多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

2.1 智能光纖監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

智能光纖監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：光纖傳感器信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)、計算機軟件應(yīng)用平臺(中心監(jiān)測控制端)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

水利工程施工過程中，在被監(jiān)測關(guān)鍵部位的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中埋入光纖傳感器。當(dāng)監(jiān)測點的被測參數(shù)發(fā)生突變或存在安全隱患時，光纖傳感器會迅速將感應(yīng)到的參數(shù)變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)送到計算機軟件應(yīng)用平臺，用中央處理器進行智能分析和遠程控制。

在實際鋪設(shè)過程中，光纖傳感器的接入節(jié)點可能發(fā)生損壞、斷裂。為了防止出現(xiàn)某一支路的傳感器與系統(tǒng)分離，而導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效的現(xiàn)象，鋪設(shè)時大多采取多路復(fù)用技術(shù)，組成環(huán)形傳感網(wǎng)絡(luò)進行多路數(shù)據(jù)采集[12]。這樣即使某處節(jié)點出現(xiàn)損壞、斷裂，也只會引起該監(jiān)測點失效，而其他監(jiān)測點的光纖傳感器與系統(tǒng)仍能正常工作，大大提高了整個監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

2.2 智能光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用

由于光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)能對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行無損傷實時監(jiān)測和遠程控制，因此近些年被越來越多地應(yīng)用到水利大壩及橋梁工程中，從而及時發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患。

2.2.1 溫度監(jiān)測

工程中許多物理化學(xué)變化的發(fā)生都與溫度相關(guān)，無論是施工過程中還是投入使用后，對工程內(nèi)外部溫度的監(jiān)測都是必不可少的?；诶⑸湓?，向光纖中注入脈沖光，其后向散射光中的反斯托克斯光的強度，受光纖沿線散射點溫度的影響而改變，通過分析光強變化，便可得到溫度場沿光纖的一維實時分布，其空間分辨率可精確到米[13]。

2.2.2 滲漏監(jiān)測

由于大壩的滲漏會造成壩內(nèi)局部溫度異常，因此對滲漏的監(jiān)測可采用監(jiān)測壩內(nèi)溫度的方法[13]，其原理與測溫相同。在實際應(yīng)用中，可在光纜中加設(shè)加熱裝置使溫度變化更為明顯，易于滲漏處的觀察判斷。

2.2.3 裂縫監(jiān)測

大多數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是帶裂縫工作的，如果裂縫超過允許寬度的限值就會引起滲水、鋼筋銹蝕等問題，破壞混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和安全性。將傳感光纖布置成與預(yù)期混凝土裂縫斜交并牢固粘貼，當(dāng)光纖經(jīng)過工程結(jié)構(gòu)開裂處時，裂縫面處的光纖彎曲，與裂縫成一定角度(如圖4所示)，造成局部高光損耗[14]。通過布里淵光時域分析儀，依據(jù)斜交光纖組的測試應(yīng)變，可推算出穿過光纖的裂縫寬度，目前最小空間分辨率可達0.2 m[15]。

圖4 大壩裂縫處的光纜狀態(tài)

2.2.4 邊坡變形監(jiān)測

對較重要且存在一定滑坡危險的邊坡進行監(jiān)測是國內(nèi)外普遍的做法，其中最廣泛的是變形監(jiān)測。邊坡變形監(jiān)測原理與裂縫監(jiān)測原理相同，當(dāng)高邊坡和庫區(qū)滑坡的內(nèi)部某點發(fā)生形變時，與滑移面相接觸的光纜同時發(fā)生彎曲產(chǎn)生橫向泄露，使得該點的曲率半徑變小，光功率損耗明顯增加，從而對變形處進行檢測定位[16]。

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(責(zé)任編校：白麗娟)

Application of Optical Fiber Sensing Technology in Water Conservancy Safety Monitoring

DOU Chao

(Department of Fundamental Science Teaching， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

In this paper， the fiber Prague grating (FBG) and the distributed optical fiber temperature measurement technology based are discussed. It is found， through comparison， that the distributed temperature measurement system based on Raman scattering has good performance and is easy to build. The author also discusses an intelligent optic fiber monitoring system in dam safety monitoring， which integrates optical fiber sensing and computer technology.

FBG sensors； distributed optical fiber temperature measurement； Raman scattering； intelligent monitoring system； water safety monitoring

TP212.4+4；TV698.1

A

1672-349X(2015)03-0026-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.009