一種基于法布里—珀羅原理的測縫計在壩體監(jiān)測中的應用

陳 靜，向蕓蕓，趙 剛，馬 暢，王一燚

（新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)阜康市 831500）

0 引言

壩體的結構健康監(jiān)測在水電站的安全運行中具有重要作用，而不同壩段間的橫縫監(jiān)測也是保證壩體安全運行的重要指標。在實際工程中，水電站的觀測中心需要對壩體的橫縫的水平錯動、垂直錯動和開合度進行實時監(jiān)測。

某北方水電站位于寒冷地區(qū)，為大型水利工程，主要任務是防洪、灌溉和發(fā)電。為了保證水電站的安全運行[1]，在實際工程中，大壩安全監(jiān)察中心需要對壩體進行定期檢查[2]，橫縫的觀測是壩體監(jiān)測中重要的一項。原有的橫縫觀測大多使用振弦式測縫計[3-5]，除此之外，還有基于激光測距和LVDT 原理的測縫計[6-8]和用于橫縫測量的光纖布拉格光柵測縫計[9-11]。振弦式測縫計在振動環(huán)境下會發(fā)生零漂，布拉格光柵測縫計的缺點是精度低、有零漂，所以需要一種高精度無零漂的測縫計對壩體的橫縫進行測量。本文采用基于光纖法布里—珀羅干涉原理的高精度測縫計，對相鄰壩段間的橫縫的水平錯動、垂直錯動和開合度進行高精度自動化測量，傳感器由齒輪齒條和螺旋面構成，可對橫縫進行直接測量，無需將縫寬換算成應變再通過應變的變化率來確定縫寬。具有直接測量、無零漂、高精度等優(yōu)點。本文通過對拱壩第五層廊道某橫縫的水平錯動、垂直錯動和開合度進行實時監(jiān)測，驗證傳感器的工作性能。

1 傳感器原理

傳感器采用光纖法布里—珀羅干涉原理，如圖1所示。該傳感器為最新研制，因此在國內外是首次使用。基于法布里—珀羅干涉原理的傳感器內部的光學器件共有兩個反射點，一個是光纖端面，另一個是人為放置的反射鏡，通過移動反射鏡來改變兩個反射點之間的干涉腔長，測出的干涉譜如圖2所示，對測量的光譜按照公式（1）進行計算，即可算出干涉腔長d，精度高達nm 數(shù)量級。

圖1 光纖法布里—珀羅干涉原理示意圖Figure 1 Schematic drawing of the principle of optical fiber Fabry-Perot interference

圖2 法布里—珀羅干涉譜圖Figure 2 Fabry-Perot interference spectra

其中，λ1和λ2是圖2所示的光譜圖中，兩個相鄰波谷對應的波長。

圖3 為測縫計的結構示意圖。位移（縫寬）變化帶動探桿發(fā)生移動，探桿的右端固定有齒條，齒條移動帶著齒輪發(fā)生轉動；齒輪的轉軸固定在傳感器的外殼上，齒輪零件的頂部有一個螺旋面；螺旋面的軸線和齒輪同軸，螺旋面和齒輪是一個零件上的兩個不同部分，螺旋面頂面是第二反射點；光纖端面為第一反射點，光纖端面對著螺旋面，兩個面保持平行；當齒輪帶動螺旋面發(fā)生轉動時，光纖到螺旋面之間的距離會發(fā)生改變，即干涉腔長發(fā)生變化。對傳感器進行標定，將位移傳感器安裝到位移臺上，通過光柵尺讀取實際位移，從0mm 開始，每次增加2mm，直到最大位移20mm，共11 個測點，標定干涉腔長與位移之間的關系。干涉腔長與位移之間的關系如圖4所示，位移變化20mm 時，螺旋面旋轉340°，兩個反射點之間的距離變化量，即腔長變化量為0.712mm。所以，位移w與腔長變化量Δd之間的關系如式（2）所示，通過測量腔長變化量Δd，即可確定位移量w的大小。

圖3 測縫計的結構示意圖Figure 3 Schematic diagram of the crack gauge structure

圖4 干涉腔長與位移之間的關系圖Figure 4 The relationship between the length of the interference cavity length and the displacement

傳統(tǒng)的振弦式傳感器是通過振弦的張緊程度改變自振頻率來測量，光纖光柵傳感器是基于光纖的應變來測量，兩者都是通過測算材料變形，再通過彈簧等機械結構將應變量換算成位移量，該換算過程降低了傳感器的精度，而且溫度影響大，1℃可以對位移產(chǎn)生0.3% F.S.的影響，進一步降低了傳感器的精度。而基于該齒輪結構的光纖法布里—珀羅測縫計可以直接超高精度測量兩個反射點之間的距離，而且所有零部件均為機械零件，沒有材料往復變形產(chǎn)生的非線性和疲勞問題。從圖4 的標定結果中可以看出，通過齒輪結構將20mm的位移線性折減為0.712mm，線性度極高，R-Square高達0.998，幾乎為完全線性，沒有基于材料變形帶來的非線性問題。通過溫度標定試驗，證實了傳感器的溫度靈敏度極低，1℃僅對位移產(chǎn)生0.015% F.S.的影響，大幅降低了溫度影響，提高了傳感器的精度和壽命。通過靈敏度試驗，將傳感器置于恒溫箱內，溫度為20℃，對傳感器連續(xù)測量1000 次位移數(shù)據(jù)，測出的位移波動量僅為±0.1μm。從制作成本分析，該傳感器沒有類似于振弦等對加工精度或材料性能要求極高的敏感元器件，傳感器的所有零件均為常規(guī)的不銹鋼機械零件和齒輪零件，是一個純機械式不含電路和敏感元器件的傳感器，因此傳感器的成本要低于振弦式傳感器和光纖光柵傳感器，并且防震性能和耐久性均優(yōu)于振弦式傳感器和光纖光柵傳感器。從韌性方面分析，通過跌落試驗，將傳感器從1m 高度連續(xù)跌落三次，傳感器光譜良好，而且初始位移變化量在±2μm 范圍內，說明傳感器沒有發(fā)生任何實質性破壞，而且沒有產(chǎn)生零漂。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)

本文的研究對象是已處于運行狀態(tài)的水電站壩體上的橫縫，橫縫寬度測量的現(xiàn)場實施技術路線如圖5所示，先在工廠生產(chǎn)測縫計并對傳感器進行標定，包括溫度補償；再去現(xiàn)場選取測點，即測縫計的安裝點；具體安裝時，首先對墻壁上測縫計的安裝點清除碳酸鈣并打磨平整，再在橫縫兩端分別鉆孔，通過釘入螺栓固定測縫計的底座和擋板的支座，然后在測縫計底座上安裝X、Y、Z三個方向的三支測縫計；需要注意的是，安裝測縫計以后，其探桿頂在擋板上，要調節(jié)測縫計的安裝位置，使得安裝后對應的位移量約為10mm，這樣測縫計就有了±10mm 的量程。安裝測縫計后，對測縫計進行初步測試，確保安裝后的測縫計正常工作；再將連接測縫計上的傳輸光纜連接到光譜分析儀，實現(xiàn)對光譜的自動采集功能；采集到的光譜通過網(wǎng)線傳輸?shù)接嬎銠C并通過軟件對光譜進行解調分析，得到法布里—珀羅干涉腔長，再通過式（2）計算出位移（橫縫的水平錯動、垂直錯動和開合度）；最后通過測試結果對橫縫進行實時分析，如果位移變化量超過設置的閾值，軟件會自動報警，及時地反饋壩體安全程度。

圖5 測縫計的現(xiàn)場實施技術路線圖Figure 5 Implement technical routes on site of the crack gauge

3 觀測數(shù)據(jù)結果和分析

由于水電站橫縫參數(shù)的變化具有周期性，周期為一年，所以本試驗為了驗證光纖法布里—珀羅測縫計的工作性能，選用一年的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究周期。并與用于該工程的振弦式測縫計測量結果進行比對。選擇7 號壩段405m 高程的橫縫作為研究對象。測點處的三支光纖法布里—珀羅測縫計和三向擋板安裝在橫縫的兩端：安裝測縫計的一端固定有一個支架，支架上按照X、Y、Z三個方向各安裝一支測縫計；另一端安裝有三個方向的擋板，三支測縫計的探桿分別頂在三個擋板上。這樣，橫縫的水平錯動、垂直錯動和開合度均可測量。圖6 為橫縫的水平錯動、垂直錯動和開合度變化過程線與溫度和水位之間的關系，為了方便比對，黑線為法布里—珀羅測縫計的觀測結果，紅線為振弦式測縫計的觀測結果，觀測周期為一年，觀測時間從2019年3月至2020年3月。

圖6 兩種測縫計測量的橫縫開合度、水平錯動和垂直錯動變化過程線與溫度和水位之間的關系曲線圖Figure 6 The relationship between the horizontal dislocation、vertical dislocation、open and close degree change process line of transverse cracks and temperature and water level of two types of crack gauges

如圖6所示，通過光纖法布里—珀羅測縫計和振弦式測縫計觀測的橫縫水平錯動、垂直錯動和開合度三個參數(shù)隨著溫度和水位的變化過程線，可以看出，對于光纖法布里—珀羅測縫計和振弦式測縫計，兩者觀測結果的趨勢大體相同，在一年的測量周期中，三個參數(shù)的變化均具有周期性，而且變化的幅度相近，都在-0.6～ -1.1mm 之間。位移以拉伸測縫計探桿（開合度變大）為正，可見從3月開始測量，隨著天氣變熱，橫縫的開合度逐漸減小，9月以后，隨著天氣變冷，開合度逐漸增大，這主要是由壩體混凝土的熱脹冷縮引起的；水平錯動和垂直錯動也同樣具有周期性，在春季和秋季溫度變化快的季節(jié)，這兩個參數(shù)也變化快，在夏季和冬季溫度變化慢的季節(jié)，這兩個參數(shù)也變化慢，符合季節(jié)變化規(guī)律。可見，水平錯動、垂直錯動和開合度三個參數(shù)均具有周期性，而且與溫度和水位的變化速度有一定的相關性。同時驗證了使用光纖法布里—珀羅測縫計，可以實現(xiàn)對橫縫水平錯動、垂直錯動和開合度的高精度自動化測量。關于兩種原理測縫計觀測結果的差異，主要是因為測量位置不完全重合，觀測的橫縫在三個方向上的實際變化幅度有一定差異。

4 結論

通過高精度光纖法布里—珀羅干涉原理的測縫計在壩體監(jiān)測中的應用，可以得出以下結論：

（1）基于法布里—珀羅干涉原理的測縫計具有極高的精度，在同一測點的三個方向安裝，可以實現(xiàn)對橫縫的水平錯動、垂直錯動和開合度的高精度自動化測量。

（2）高精度、無零漂。法布里—珀羅干涉腔的測量精度可達到nm 級，位移的分辨率也可以達到0.1μm 數(shù)量級，而且整個測縫計的組件中沒有基于應變的換算結構，所以沒有疲勞和零漂的問題。傳感器的壽命也超過現(xiàn)有的電學傳感器。

（3）自動化測量。通過光譜分析儀采集光譜，再通過軟件對光譜進行實時分析，可以實現(xiàn)對橫縫水平錯動、垂直錯動和開合度的自動化測量，并具有預警功能。

（4）抗電磁干擾、防雷擊。傳感器采用光纖作為傳輸介質，電磁干擾和雷擊對光譜完全沒有影響，而且光纖是絕緣體，雷擊對傳輸光纜也不會構成破壞。

（5）橫縫的水平錯動、垂直錯動和開合度變化均具有周期性，而且變化的幅度相近，都在-0.6～-1.1mm 之間，壩體的橫縫寬度變化量在安全范圍內。

綜上所述，本文所講述的基于光纖法布里—珀羅干涉原理的高精度測縫計，可以對橫縫的水平錯動、垂直錯動和開合度實現(xiàn)高精度的自動化監(jiān)測，且具有直接測量、無零漂、精度高、成本低、壽命長、自動化測量、溫度靈敏度低、抗電磁干擾和防雷擊等優(yōu)點。通過與振弦式測縫計的觀測結果對比，證實光纖法布里—珀羅測縫計可以有效地對壩體橫縫進行實時自動化測量，為水電站的安全運行提供可靠保障。除水電站之外，該測縫計還適用于巖石裂縫、滑坡裂縫和橋梁隧道裂縫等其他工程領域的測量，具有很好的推廣價值。