光纖光柵傳感器在水布埡面板壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　摘 要：本文分析了光纖光柵傳感的基本原理，在壩體模擬槽試驗(yàn)中具體驗(yàn)證了波長(zhǎng)變化與溫度的關(guān)系;通過建設(shè)中的清江水布埡面板壩工程，研究了用于大壩監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成，并成功地大規(guī)模布設(shè)了光柵應(yīng)變傳感器與溫度傳感器;監(jiān)測(cè)結(jié)果表明光纖Bragg光柵傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與耐久性，為建筑結(jié)構(gòu)的健康診斷提供可靠的依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：光纖光柵傳感器;大壩監(jiān)測(cè);應(yīng)變監(jiān)測(cè)

　　引言

　　大壩的投資大、效益高、在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用，與人民的生活也休戚相關(guān)。一個(gè)龐大的水庫(kù)，一旦失事，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的損失是巨大的。本文對(duì)光纖Bragg光柵的溫度/應(yīng)變傳感特性進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究;探索其布設(shè)工藝以及在大壩施工過程、長(zhǎng)期應(yīng)變監(jiān)測(cè)中的技術(shù)。

　　1.光纖光柵應(yīng)變傳感特性

　　光纖Bragg光柵傳感技術(shù)是通過對(duì)在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射波長(zhǎng)光譜的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對(duì)測(cè)量，其傳感原理如圖1所示。而光纖光柵的反射或透射波長(zhǎng)光譜主要取決于光柵周期L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反射或透射波長(zhǎng)的漂移即有： DlB=2neff·DL （1）

　　圖1. 光纖布喇格光柵傳感原理

　　在所有引起光柵Bragg波長(zhǎng)漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量，因?yàn)闊o論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢(shì)必導(dǎo)致光柵周期L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，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。

　　2.光纖光柵溫度傳感試驗(yàn)

　　2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

　　本文采用的是武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)中心生產(chǎn)的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器。接頭采用通用的光纖FC/APC跳線頭。Bragg中心波長(zhǎng)識(shí)別系統(tǒng)采用美國(guó)Micron Optics公司生產(chǎn)的FBG-IS（Fiber Bragg Grating —Interrogation System）光纖光柵解調(diào)器。該儀器基于F-P（Fabry-Perrot）干涉原理對(duì)Bragg反射譜中心波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)，波長(zhǎng)分辨率為1pm，掃描范圍為1283-1312nm, 掃描頻率：50Hz。

　　2.2 應(yīng)變傳感試驗(yàn)原理及結(jié)果分析

　　水庫(kù)大壩周邊縫某處出現(xiàn)滲漏時(shí)，該處的水將會(huì)通過壩體表面的縫隙滲透到壩體內(nèi)，并在壩體內(nèi)沿縫隙流動(dòng)。水在流動(dòng)過程中，導(dǎo)致此處壩體的溫度發(fā)生改變，利用光纖光柵溫度傳感器檢測(cè)出這個(gè)溫度變化即可判斷出滲漏點(diǎn)發(fā)生的位置。采用多個(gè)光纖光柵溫度傳感器

　　可以構(gòu)成分布傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)大壩周邊縫滲流監(jiān)測(cè)。

　　本試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫媸疽鈭D如圖2 所示，將光纖光柵傳感器鋪設(shè)于試驗(yàn)水槽下方，水槽采用壩體附近的土石以盡量接近實(shí)際效果。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝媸疽鈭D如圖3所示。將中心波長(zhǎng)為1296.5、1298.5nm的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器用102膠粘劑粘貼于發(fā)熱電纜上，并在相應(yīng)位置布設(shè)高精度電阻應(yīng)變片，通過砝碼加載。

　　圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫媸疽鈭D

　　圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝媸疽鈭D

[$page]　　本次模擬試驗(yàn)選擇三個(gè)滲流點(diǎn)進(jìn)行二次試水試驗(yàn)觀察滲流點(diǎn)處探頭試水前后溫度變化過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如圖4。其中2-1;2-2;2-3;2-4;2-5分別是處于一根單模光纖上不同位置的Bragg光柵所反映出來的溫度變化曲線。

　　圖4 2#通道測(cè)試點(diǎn)溫度

　　從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)發(fā)生滲流時(shí)，由于溫度變化使其中心波長(zhǎng)與溫度的相關(guān)系數(shù)很高，并沒有遲滯現(xiàn)象，它們存在很好的線性關(guān)系。證明了光纖Bragg光柵是一種