光纖應變分布傳感的工程實用情況及其在水工領域的應用前景

崔何亮，鄭曉紅，王玉潔

（國家電力監管委員會大壩安全監察中心，浙江杭州310014）

1 光纖傳感技術概述

光纖傳感是一種新型的監測技術，其基本原理是將通常用于通訊的光纖加工為傳感敏感元件，通過探測光纖中反射、散射光信號的變化，獲取應變、溫度等物理信息。因此，與傳統的差阻、電阻、振弦等基于電信號的傳感方式不同，光纖傳感可實現多點串聯甚至全分布式連續測點，具有長期穩定性好、無零漂、不受電磁干擾等優點。目前已投入實際工程應用的光纖傳感技術主要有三類，見表1。

2 布里淵光時域分析技術簡介

表1 三種實用性較強的光纖傳感技術Table 1:Three kinds of practical fiber optic sensing technology

布里淵光時域反射技術將標準單模光纖同時用于傳感與信號傳輸，其基本原理為：短頻率脈沖光進入光纖后，在前進的相反方向產生布里淵背向散射光，其頻率分別與光纖局部的軸向應變及溫度變化成線性關系，即有：

其中：vB（ε，T）為任意時刻（產生應變與溫差時）光纖布里淵背向散射光頻率；vB（ε0，T0）為初始狀態下光纖布里淵背向散射光頻率，ε為光纖局部產生的應變；T為溫度；C1、C2分別為傳感光纖的應變系數與溫度系數。從上式可以看出，光纖軸向應變與溫度與其布里淵光頻率耦合相關，因此如果需要解耦，最直接的方法就是對其中一個分量進行補償，通常的方法是用纖芯自由的溫度測量光纖進行溫度補償，從而得到各位置實際的應變變化量。

布里淵光時域類解調儀器主要有以下兩類：BOTDR系列和BOTDA系列。

BOTDR系列：日本橫河公司是最早實現該技術商品化的公司，其AQ8603型號產品知名度較高，但目前已停產；在該產品基礎上，愛德萬公司(Ad?vantest)和NTT合作，生產了N8510、N8511等產品，在穩定性和速度方面較AQ8603略有提升。

BOTDA系列：日本Neubrex公司研發的NBX-6050在空間分辨率、測量速度和精度方面則具有領先優勢；加拿大OZoptics公司的DSTS-C小型化設備最大尺寸僅38 cm，且帶有2個通道，適用于現場工作；瑞士Omnisens產品價格較低，但各方面性能指標較低，控制和軟件的工程實用性不足。

BOTDA技術探測的是光纖中的受激布里淵散射光，因此需要將光纖首尾兩端與解調儀連接，一端注入脈沖光并接受散射光，另一端則注入連續探測光。與BOTDR相比，BOTDA的光功率更強，可以實現更高的精度和空間分辨率。但BOTDA必須形成回路，一旦斷線則無法獲取數據，從工程風險回避角度，BOTDR有一定的優勢。

基于布里淵光散射的分布式光纖應變（或溫度）監測技術具有如下主要優點：

（1）分布式：可以準確測出光纖沿線任一點上的應力、溫度等信息，克服傳統點式監測漏檢的弊端，提高監測成功率。

（2）長距離：光纖既作為傳感體又作為傳輸體就可以實現長距離、全方位監測和實時連續控測。

（3）耐久性：傳統的工程監測一般采用差阻式、鋼弦式、應變片等電測儀器，易受環境影響失效，不能適應一些大型工程長期監測的需要。光纖的主要材料是石英玻璃，與金屬相比具有更大的耐久性。

（4）穩定性：采集的是光纖的物理特性，只要線路通暢，即可保證良好的重復性和穩定性，不存在零漂和松弛等時效變化。

（5）抗干擾：光纖是非金屬、絕緣材料，避免了電磁、雷電等干擾。

（6）輕細柔韌：光纖的這一特性，使它在埋入混凝土的過程中應變協調性好，避免了匹配的問題，安裝埋設也比較方便。

傳統點式傳感器僅能在極個別的“預測的危險部位”布點，絕大部分范圍無法被監控。與之相比，分布式光纖傳感的優勢十分明顯，利用一維連續敷設的傳感光纖，一次測量即可獲取沿線各點的應變或溫度分布，真正實現從預判風險位置到實際發現危險的突破，這對于大型工程運行期的安全狀態評估尤其關鍵。

但是，與普通傳感儀器相比，分布式光纖傳感由于發展歷史較短，仍然存在一些弱點：參考案例少，施工工藝要求高，解調儀器價格偏高，監測精度較應變片低一個數量級（＞10 με），海量數據分析較復雜等。

鑒于以上特點，分布式光纖傳感，作為監測的一個新方向，被認為有很大的發展空間，與傳統點式傳感器可優勢互補。

3 光纖應變分布傳感的工程實用情況

BOTDA/R技術在上世紀90年代末期逐漸成熟，日本Ando、瑞士Omnisens等公司陸續實現了儀器商品化，測量精度50 με左右，空間分辨率最高至1 m。

以第一代BOTDA/R儀器為工具，分布式應變監測技術最先應用到了土木工程中，相關案例參見表2。這些早期的工程，主要有三個特點：（1）主要用于大范圍變形的監控，對精度要求不高；（2）受空間分辨率限制，常以定點埋設方式構成連續式位移計；（3）使用通信光纜作為傳感器。

2005年前后，BOTDA的脈沖光技術和數據采集技術得到了發展，空間分辨率進步到0.5 m甚至0.1 m，重復性精度提高至10 με左右，測量速度也加快了數十倍，拓寬了這一技術的應用領域，相關案例參見表3。解調儀器的進步，伴隨傳感光纜、敷設工藝、數據解析等技術的發展，最近幾年在國外，主要是日本，分布式光纖傳感開始向精細化和準確化方向發展。相比早期的工程，其特點是：（1）能夠對結構體局部變形、裂縫進行定量化測量；（2）空間分辨率提高，光纜埋設以全面粘貼為主；（3）使用專門研制的傳感光纜，提高了光纖存活率和感應度；（4）單次測量時間由以往的數十分鐘提高至數秒。

第二代BOTDA技術在中國國內尚未見大型工程應用報道。

未來數年，BOTDA技術的發展方向是將布里淵散射光與瑞利散射光結合，對兩者的光頻率漂移進行綜合分析（瑞利散射頻譜更加復雜），從而用一根光纖實現溫度和應變兩個物理量的分離。同時，由于瑞利散射頻移敏感度千倍高于布里淵散射，因此新技術的測量精度將達到甚至超過普通的點式傳感器。此外，在擴大測量長度、中繼站產品、解調儀的小型和模塊化等發面，各廠家也正在研制新產品以適應市場需求。

4 光纖應變分布傳感器在水工領域的應用前景

4.1 引水隧洞襯砌監測

引水隧洞通常距離長、承受內外水壓力，不良地質條件對隧洞襯砌結構的長期影響倍受關注。建立襯砌應變分布光纖監測系統，通過對鋼筋混凝土結構應變狀況及其發展過程的監測和分析，可為運營期的結構狀況評估和事故預警提供大量監測數據支持。

傳感光纖敷設有埋入式和表面粘貼兩種方式，各有優點，可根據襯砌施工實際進度選用。在有條件的情況下，建議同時采用，有利于對比分析，并確保數據完整性。對埋入式敷設，可將傳感光纖沿鋼筋走線，但并不使用粘結劑和鋼筋結合，傳感光纖將主要反映混凝土的應變變化。在彈性階段，光纖、混凝土和鋼筋的變形協調，光纖應變測值亦可用于計算鋼筋應力；出現裂縫、大撓度變形等特殊情況后，光纖受混凝土握裹，仍與混凝土變形同步，但由于光纖護套材料的傳遞損失，應力集中區的光纖應變梯度將略小于混凝土實際情況，應變分布范圍增大，因此仍可通過積分等方法反推裂縫寬度等混凝土工作狀態。

表2 第一代BOTDA/R的工程應用代表性案例Table 2:Engineering application examples of the first-generation BOTDA/R

表3 第二代BOTDA的工程應用代表性案例Table 3:Engineering application examples of the second-generation of BOTDA

傳感光纖敷設方案和成果預測見圖1。在隧洞頂拱、左右邊拱位置，傳感光纖沿隧洞軸向埋設于襯砌內。進入運行期后，沿隧洞軸向，各位置應變應基本保持一致；但在某些部位，受圍巖壓力、內外水壓力等因素影響，混凝土襯砌可能發生裂縫、內凸變形。裂縫發生時，裂縫對應部位埋設的傳感光纖將受拉，應變分布圖上會明顯產生一個或多個尖峰；通常情況下，裂縫可能不止一條，沿距離對應變進行積分計算，可推求一段范圍內（比如0.5 m）的裂縫總寬度，對襯砌運行工況進行評價。圍巖局部變形過大使襯砌表面嚴重撓曲變形或小范圍剝落時，在應變分布圖上可能產生數米的拉應變分布區，結合配套的試驗研究、理論分析，可進一步分析襯砌變形的空間形態和發展過程。

4.2 蝸殼結構監測

蝸殼在沖水保壓及后期運行中，內壓變化及受力復雜，對蝸殼鋼襯及外包混凝土進行應變分布監測有利于進一步監控結構體的運行工況，分析承載比，對其安全狀態進行有效評估。

蝸殼鋼襯和混凝土應變監測的試驗方案見圖2。傳感光纜有兩種基本布設方式：（1）蝸殼外圈水平斷面的軸向應變監測；（2）蝸殼管道環向應變監測，部分區段可能采用螺線狀布設。

圖2 蝸殼結構應變分布監測方案Fig.2 Scheme for strain monitoring of the spiral case

原則上，在鋼襯和外包混凝土對應位置，按同圓心的路徑布置傳感光纜，以便于后期數據對比。其中，蝸殼鋼襯的應變監測光纜敷設在鋼襯外表面，粘結材料采用環氧樹脂；混凝土應變監測光纜用環氧砂漿與鋼筋粘結或沿鋼筋綁扎，利用混凝土的握裹力傳遞應變，綜合反映鋼筋混凝土結構的應變情況以及裂縫的監測。

4.3 其它水工結構

光纖應變分布傳感技術具有獨特的優勢，可彌補傳統傳感儀器的不足，因此在諸多水工結構中都具有應用潛力，比如：（1）壩體內部的裂縫監測；（2）大型調壓井的豎井下部、底板、分流墩、升管隔墻等的應變和裂縫監測；（3）廠房行車梁的應力監測；（4）壓力鋼管的變形監測；（5）地下洞室的巖體深部變形監測等。

5 結語

基于BOTDA/R的光纖應變分布傳感技術已應用于國內外隧道、橋梁、工廠設備等工程的監測中，基本性能已得到驗證，而近幾年新一代高性能產品的誕生更拓寬了這一技術的應用方向，逐漸由整體的定性監測向結構體局部變形、裂縫等缺陷的定量化測量發展。經過十年來的探索，BOTDA/R技術正在為工程界所熟悉和認可，分布式光纖傳感的優勢逐漸得到發揮。工程應用的增加也勢必促進儀器性能的優化和低價化，以及施工工藝、監測系統等成套技術的成熟。

水工建筑物的分布式應變監測尚未見報道，具有較高的科研價值，同時也具有向生產轉化的潛力和可行性。為確保新技術的成功應用，應當重視試驗研究，在進入工程現場前做好充分的準備，在小范圍內對傳感光纜的埋設工藝和施工組織進行演練，熟悉儀器操作，并配合實驗室試驗，對傳感光纜的選型、埋設工藝和施工流程進行指導，積累數據分析的經驗。■

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