光纖光柵傳感技術在邊坡預應力錨索監測中的應用

王 蓉 川

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

光纖光柵傳感是20世紀90年代發展起來的一種新型全光纖無源器件，在光學傳播技術領域中，光纖技術發展非常迅速，已在有錨固預應力技術的斜拉橋、立交橋等大型土木建筑物中應用，解決了監測大型工程的結構穩定、強度等難題。工程邊坡的穩定影響到人類生存條件與環境，它們的變形與失穩是對人類的直接性災害。自然因素如地震、降雨洪水、泥石流等；人為因素如土地開發、森林濫伐都是造成邊坡變形、失穩的直接因素。目前，應用于水電工程邊坡上的錨索監測主要采用常規的電測法，無法滿足錨索的長期監測要求。其原因，一方面是與錨索直接聯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制復雜，目前還沒有一種能較全面地反映出這種機制。近十年來，光纖監測技術漸趨成熟，已成為水利水電建設事業不可缺少的一個組成部分，尤其是光纖光柵傳感技術比一般的光纖傳感器具有更大的優越性，其應用也需探討、總結和提高。

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，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、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生變化，通過光纖內部寫入的光柵反射或透射Bragg波長光譜檢測，實現被測結構的應變和溫度的監測。其傳感原理如圖1所示[2]，根據光纖耦合模理論，當一寬光譜光源注入光纖，會產生模式耦合，FBG光柵將反射回一個中心波長為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，任何使這兩個參量發生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移，從而將導致FBG波長的改變。例如當沿光纖光柵軸向施加應力時，光纖產生應變，導致光柵的Bragg波長發生漂移，這個改變可以從光柵的反射光譜中檢測出來，并且將這個改變的Bragg波長與以前沒受激勵影響時的Bragg波長進行比較，可以測定光柵受激勵程度，然后通過標定漂移和計算機系統的計算與分析，可以得到不同點上所受到的溫度和應變的大小，這就是光纖光柵的應變效應。

光柵被拉伸或壓縮，都勢必導致光柵周期Λ的變化，并且光纖本身所具有彈光效應使得有效折射率neff也隨外界應力狀態的變化而變化[2]，這為采用光纖Bragg光柵制成光纖應變傳感器提供了最基本的物理特性。由于拉、壓應力都能對其產生Bragg波長的變化，因此該傳感器在錨索結構檢測中具有優異的變形匹配特性，其動態范圍大(達10 000με)，并且線性度好。基于此原理的光纖光柵應變傳感器是以光的波長為最小計量單位的，目前對光纖光柵Bragg波長移動的探測達到了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、與光強無關和更高抗干擾能力的特點。另一方面，在應變測量中，為了克服溫度對測量的影響，在監測系統可采用同種溫度環境下的光纖光柵溫度進行補償。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用技術，多個光纖光柵傳感器可以通過一根光纖級串聯進行監測，在光纖一端實現多個光柵信號的檢測，每個FBG傳感器同時產生中心波長的改變，進一步集合成分布傳感網絡系統。

圖1 光纖光柵原理

3 光纖光柵傳感在邊坡工程中的應用

3.1 邊坡工程監測特點

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

由于大崗山邊坡特殊的地質條件，對預應力錨索的損失控制和監測儀器精度要求很高，如果因為意料之外的原因造成過大的預應力損失，使總體錨固力低于錨索結構安全運行需要的加固力，則邊坡將發生失穩的危險。因此，擬采用光纖光柵錨索測力計監測，其目的是更有效對工程邊坡預應力損失進行控制，對施工質量和錨固效果作出分析評價；并驗證錨索預應力損失穩定后的實際永存荷載。

3.2 光纖光柵傳感的優勢

與傳統監測儀器相比光纖光柵傳感具有如下優勢：

(1)傳感精度和數據采集數量極大提高。由于光纖自身具有集傳感和傳輸于一身的特點，能很好地實現對錨索的全光在線檢測，采集的數據量也分布于整個空間，可同時檢測多種參量(溫度、應變、壓力、位移等)。由于在確定的邊坡工程中，其應力和光路信號衰減成唯一關系。因此，當光路的衰減量被檢測到后，其應變、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。

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

(3)系統長期穩定性好。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、對環境干擾不敏感、獨有溫度補償技術等特點，使得監測系統能達到長期穩定的效果。

(4)具有智能化的發展趨勢。光纖檢測信息損耗量小，可以實現遠距離通信、遠距離監控。與計算機網絡連接后，能實現自檢測、自診斷的智能化檢測。

3.3 光纖光柵傳感的布設

將光纖光柵傳感技術應用于大崗山拱壩抗力體邊坡加固的部分巖體預應力錨索上進行科研試驗，對所布設的監測點PRLKL-1、PRLKL-2、PRLKL-5進行串連，構成監測網絡，了解和監測工程邊坡在施工期、蓄水期和運行期的工作狀態，見圖2。邊坡采用的錨索測力計為高強度的合金圓筒，筒體內置4個高精度的光纖光柵作為敏感元件，當被測載荷作用在錨索測力計上時，將引起彈性圓筒的變形并傳遞給光纖光柵，光信號經光纜傳輸至光纖光柵分析儀上，即可測讀出應力值，從而計算出作用在錨索測力計的總荷載值，以及不均勻荷載或偏心荷載。其中內置的一個光纖光柵傳感用作溫度傳感器可以監測環境溫度并提供溫度補償，由鎧裝光纜輸出信號，最遠傳輸距離可達30km ，將測量信號傳輸至監測儀器實現在線24小時持續監測。

圖3所示為光纖光柵錨索傳感器的安裝示意圖。3個傳感器探頭由光纜串接后形成傳感器網絡與光纖光柵解調儀相連接，然后解調儀對光纖光柵Bragg波長移動進行探測，將相關的采集數據傳入計算機進行處理、顯示，并換算為應變。

圖2 拱壩抗力體邊坡光纖光柵錨索測力計平面布置

圖3 光纖光柵錨索測力計安裝示意

3.4 工程應用中光纖光柵傳感系統構成

光纖光柵傳感系統主要包括：光源、傳感器和光開關組成的傳感網絡和光纖光柵調解儀、服務器及具有遠程監視功能的客戶端。

(1)光源。在光纖光柵傳感中光源有較寬的帶寬和較強的輸出功率與穩定性, 以滿足傳感系統中多點多參量測量的需要。目前在光纖光柵傳感系統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。邊坡布設的3個光纖光柵錨索測力計，量程為2 000kN，實現對溫度、應變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應變同時敏感, 即溫度與應變同時引起光纖光柵波長移動, 使得由光纖光柵波長移動無法區分溫度與應變。因此, 可通過外置溫度補償環或利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵，構成雙光柵溫度與應變傳感器來確定不同光纖光柵的溫度與應變響應靈敏度系數來區分溫度與應變。

(3)光纖傳輸網絡。3個不同位置的監測點使用了單芯連接的光纜及光纜保護管直接將傳輸信號引入中心監控室的信息處理及分析系統上。

(4)光纖光柵調解儀。光纖光柵傳感網絡分析儀主要用于數據采集、信號處理和儲存等；然后通過光纖傳輸系統到監測中心的數據處理和分析系統[3]。在大崗山抗力體邊坡光纖光柵監測系統中, 光纖光柵信號的解調是該系統的關鍵，采用了便攜式高分辯率光纖光柵解調儀(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換，其中傳感器的中心反射波長的分析是解調的關鍵；另一部分為電信號處理(即計算機軟件)，包括信息處理、分析、傳送、儲存管理、預警、報警功能，完成對電信號的運算處理。

(5)服務器及客戶端。服務器主要是通過特定的命令字從光纖光柵調解儀中采集數據并對其進行處理，以圖形和文本兩種方式加以顯示，記錄變化的Bragg波長，完成與多個客戶端的連接，實現數據通信。

客戶端主要是向服務器以查詢某段時期內的波長信息。

3.5 光纖光柵數據采集和處理系統

為了能客觀、及時地反映張拉過程中及張拉過后的錨索的應力情況，就需要及時地采集和記錄傳感器的參量數據。數據采集系統完成與光纖光柵調解儀連接并設置和查詢啟止波長、采集特定波長范圍內光柵反射峰的功率，基于光開關拓樸而成的光纖光柵傳感網絡[4]，MSComm控件在串口通信下實現傳感通道間的切換。同時進行數據處理、存儲、顯示等功能。

光纖光柵監測數據處理系統，采用圖形和文本兩種方式顯示監測數據。數據顯示視圖是顯示所有通道的傳感器波長的實時數據，動態曲線視圖顯示傳感器波長的實時曲線，圖形間可通過單選框切換來決定，并進行數據的優化。不同的圖形設有不同的坐標格式[4]。每臺光纖光柵錨索測力計均附有一張檢測表，檢測表上給出了各光柵的中心波長，以及溫度、應力的計算公式及相關參數。用于應力測量的4 條光柵，在計算時取其平均值作為初時或當前的波長讀數，檢測表上給出的波長也即各光柵波長讀數的平均值(即(FBG1+FGB2+FBG3+FBG4)/4)[4]。而測溫光柵(即FBG-T)將做為一個獨立的傳感器，用于溫度計算或應力的溫度補償計算。

4 結束語

光纖光柵傳感技術是當代高科技的結晶，一種先進的檢測技術，是一種理想的工程邊坡安全監測系統，不受惡劣環境的干擾和影響，具有精度高、長期穩定性好、操作簡便迅速的優點，實現了實時、在線監測，具有非常獨特的技術優勢，并有極大的推廣應用前景。本文通過對邊坡選取部分預應力錨索使用光纖光柵傳感器作為科研試驗對象，實現對錨索的預應力監測，并為光纖光柵傳感技術在水電工程中的應用和推廣積累工程經驗。如果再進一步將更多的光纖光柵傳感器組成光纖測量網絡，探索一條用于邊坡工程結構錨索監測與狀態評估的技術新途徑，將會有重大的社會效益和經濟效益。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間的增長，利用光纖監測的重要性日益顯出。如何進一步使其在水電建設廣泛應用，是目前面臨的核心問題。我們將充分應用光纖監測成果，反饋工程整體的工作性態及評估邊坡安全度和可靠度。另外，對錨索進行實時在線檢測，有利于對錨索設計的準確評價，在科學研究中也具有重要的意義。

參考文獻：

[1] 王月明.光纖光柵傳感器加速壽命試驗研究[J].武漢理工大學學報,2009(5).

[2] 劉建勝，李錚，張其善.基于拉曼散射的光纖分布式溫度測量系統的空間分辨力[J].光學學報，1999(12)：1673-1677.

[3] 禹大寬,賈振安,喬學光,劉欽朋.光纖Bragg光柵流量傳感器的研究及進展[J].光通信研究,2008(6).

[4] 秦一濤，劉劍鳴，等.分布式光纖溫度監測系統在長調水電站中的應用實踐[J].大壩與安全，2004(1).