在水布垭面板坝安全监测中光纤光栅传感器的设计应用

引言

大坝的投资大、效益高、在国民经济发展中起着举足轻重的作用，与人民的生活也休戚相关。一个庞大的水库，一旦失事，造成人民生命财产的损失是巨大的。本文对光纤Bragg光栅的温度/ 应变传感特性进行分析和试验研究;探索其布设工艺以及在大坝施工过程、长期应变监测中的技术。

1.光纤光栅应变传感特性

光纤 Bragg光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量，其传感原理如图1所示。而光纤光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期L和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起反射或透射波长的漂移即有： DlB="2neff"·DL (1)

图1. 光纤布喇格光栅传感原理

在所有引起光栅Bragg波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期L变化，并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率neff也随外界应力状态的变化而变化，这为采用光纤Bragg光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。

2.光纤光栅温度传感试验

2.1 试验设备及材料

本文采用的是武汉理工大学光纤传感技术中心生产的光纤Bragg光栅应变传感器。接头采用通用的光纤FC/APC跳线头。Bragg中心波长识别系统采用美国Micron Optics公司生产的FBG-IS(Fiber Bragg Grating —Interrogation System)光纤光栅解调器。该仪器基于F-P(Fabry-Perrot)干涉原理对Bragg反射谱中心波长进行解调，波长分辨率为1pm，扫描范围为1283-1312nm, 扫描频率：50Hz。

2.2 应变传感试验原理及结果分析

水库大坝周边缝某处出现渗漏时，该处的水将会通过坝体表面的缝隙渗透到坝体内，并在坝体内沿缝隙流动。水在流动过程中，导致此处坝体的温度发生改变，利用光纤光栅温度传感器检测出这个温度变化即可判断出渗漏点发生的位置。采用多个光纤光栅温度传感器可以构成分布传感网络，从而实现对整个大坝周边缝渗流监测。

本试验模型平面示意图如图2 所示，将光纤光栅传感器铺设于试验水槽下方，水槽采用坝体附近的土石以尽量接近实际效果。试验模型断面示意图如图3所示。将中心波长为1296.5、 1298.5nm的光纤Bragg光栅应变传感器用102胶粘剂粘贴于发热电缆上，并在相应位置布设高精度电阻应变片，通过砝码加载。

图2 试验模型平面示意图

图3 试验模型断面示意图

本次模拟试验选择三个渗流点进行二次试水试验观察渗流点处探头试水前后温度变化过程试验数据记录如图4。其中2-1;2-2;2-3;2-4;2-5分别是处于一根单模光纤上不同位置的Bragg光栅所反映出来的温度变化曲线。

图4 2#通道测试点温度

从试验结果可以看出，当发生渗流时，由于温度变化使其中心波长与温度的相关系数很高，并没有迟滞现象，它们存在很好的线性关系。证明了光纤Bragg光栅是一种十分理想的温度传感元件;这与理论分析结果吻合很好。而且传感器的一致性良好，非常有效于大面积贴片测量，实现工程结构的测量。

3.光纤光栅健康监测系统构成

光纤智能健康监测系统主要由以下三部分构成：光纤传感器系统，信号传输与采集系统，数据处理与监测系统。如图5

图5 光纤Bragg光栅传感器(FBG) 桥梁结构监测系统

进行监测时，光纤传感器测量到的坝体实时状态信号经过信号传输与采集系统送到监测中心，进行相应的处理和判断，从而对坝体的健康状态进行评估。若监测到的关键健康参数超过设定的阀值，则通过即时信息通知相关的管理机构，以便采取相应的应急措施。

4.光纤光栅传感器在面板坝工程安全监测中的应用

水布垭大坝作为目前世界第一高度混凝土面板堆石坝，其中的很多工程技术问题都是世界性难题，要探索并解决这些难题需要采用大量的先进技术和工艺。在大坝的安全监测方面，经过综合比较，最终确定采用武汉理工大学具有自主知识产权的光纤光栅渗流(温度)/面板应变监测系统。该系统是一套完整的、具有现代化监测和管理水平的安全监测系统，加强事故检测及缓解措施，充分体现运行可靠，反应及时，监控准确的特点

5.结论

本文成功地将光纤 Bragg光栅温度传感器和应变传感器应用到大坝的施工监测中，为进一步的工程应用积累了宝贵的经验，监测的结果表明：光纤光栅应变传感器具有优越的传感性能，特别是在长期稳定性方面，非常适合大坝、桥梁等工程长期监测的需要。光纤Bragg光栅应变传感器可以有效地监测大坝的施工过程，在实现对大坝整个生命周期的监测，大坝的长期健康监测和安全评估方面具有极大的应用潜力和前景。

参考文献：

[1] Nellen M.,et al.,“Optical fiber Bragg grating for structural monitoring in civil engineering”. 16th Congress of IABSE on Structural Engineering for Meeting Urban Transportation Challenges, 2000

[2] Schulz W. L. et al., "Progress on Monitoring of Adhesive Joints using Multiaxis Fiber Grating Sensors", SPIE Smart Structures Conference, Newport Beach. March 2000.

[3] Brǒnnimann R。et al。，“Application of optical fiber sensors on the power dam of luzzone”。SPIE 1998，3407，386-391

[4] 姜德生，RichardO.Claus. 智能材料器件结构与应用 武汉工业大学出版社2000.3