在水布埡面板壩安全監測中光纖光柵傳感器的設計應

引言

大壩的投資大、效益高、在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著(zhù)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，一旦失事，造成人民生命財產(chǎn)的損失是巨大的。本文對光纖Bragg光柵的溫度/ 應變傳感特性進(jìn)行分析和試驗研究;探索其布設工藝以及在大壩施工過(guò)程、長(cháng)期應變監測中的技術(shù)。

1.光纖光柵應變傳感特性

光纖 Bragg光柵傳感技術(shù)是通過(guò)對在光纖內部寫(xiě)入的光柵反射或透射波長(cháng)光譜的檢測，實(shí)現被測結構的應變和溫度量值的絕對測量，其傳感原理如圖1所示。而光纖光柵的反射或透射波長(cháng)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(guò)程都將引起反射或透射波長(cháng)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(cháng)漂移的外界因素中，最直接的為應變參量，因為無(wú)論是對光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢必導致光柵周期L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(tài)的變化而變化，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。

2.光纖光柵溫度傳感試驗

2.1 試驗設備及材料

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光柵應變傳感器。接頭采用通用的光纖FC/APC跳線(xiàn)頭。Bragg中心波長(cháng)識別系統采用美國Micron Optics公司生產(chǎn)的FBG-IS(Fiber Bragg Grating —Interrogation System)光纖光柵解調器。該儀器基于F-P(Fabry-Perrot)干涉原理對Bragg反射譜中心波長(cháng)進(jìn)行解調，波長(cháng)分辨率為1pm，掃描范圍為1283-1312nm, 掃描頻率：50Hz。

2.2 應變傳感試驗原理及結果分析

水庫大壩周邊縫某處出現滲漏時(shí)，該處的水將會(huì )通過(guò)壩體表面的縫隙滲透到壩體內，并在壩體內沿縫隙流動(dòng)。水在流動(dòng)過(guò)程中，導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成分布傳感網(wǎng)絡(luò )，從而實(shí)現對整個(gè)大壩周邊縫滲流監測。

本試驗模型平面示意圖如圖2 所示，將光纖光柵傳感器鋪設于試驗水槽下方，水槽采用壩體附近的土石以盡量接近實(shí)際效果。試驗模型斷面示意圖如圖3所示。將中心波長(cháng)為1296.5、 1298.5nm的光纖Bragg光柵應變傳感器用102膠粘劑粘貼于發(fā)熱電纜上，并在相應位置布設高精度電阻應變片，通過(guò)砝碼加載。

圖2 試驗模型平面示意圖

圖3 試驗模型斷面示意圖

本次模擬試驗選擇三個(gè)滲流點(diǎn)進(jìn)行二次試水試驗觀(guān)察滲流點(diǎn)處探頭試水前后溫度變化過(guò)程試驗數據記錄如圖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(lái)的溫度變化曲線(xiàn)。

圖4 2#通道測試點(diǎn)溫度

從試驗結果可以看出，當發(fā)生滲流時(shí)，由于溫度變化使其中心波長(cháng)與溫度的相關(guān)系數很高，并沒(méi)有遲滯現象，它們存在很好的線(xiàn)性關(guān)系。證明了光纖Bragg光柵是一種十分理想的溫度傳感元件;這與理論分析結果吻合很好。而且傳感器的一致性良好，非常有效于大面積貼片測量，實(shí)現工程結構的測量。

3.光纖光柵健康監測系統構成

光纖智能健康監測系統主要由以下三部分構成：光纖傳感器系統，信號傳輸與采集系統，數據處理與監測系統。如圖5

圖5 光纖Bragg光柵傳感器(FBG) 橋梁結構監測系統

進(jìn)行監測時(shí)，光纖傳感器測量到的壩體實(shí)時(shí)狀態(tài)信號經(jīng)過(guò)信號傳輸與采集系統送到監測中心，進(jìn)行相應的處理和判斷，從而對壩體的健康狀態(tài)進(jìn)行評估。若監測到的關(guān)鍵健康參數超過(guò)設定的閥值，則通過(guò)即時(shí)信息通知相關(guān)的管理機構，以便采取相應的應急措施。

4.光纖光柵傳感器在面板壩工程安全監測中的應用

水布埡大壩作為目前世界第一高度混凝土面板堆石壩，其中的很多工程技術(shù)問(wèn)題都是世界性難題，要探索并解決這些難題需要采用大量的先進(jìn)技術(shù)和工藝。在大壩的安全監測方面，經(jīng)過(guò)綜合比較，最終確定采用武漢理工大學(xué)具有自主知識產(chǎn)權的光纖光柵滲流(溫度)/面板應變監測系統。該系統是一套完整的、具有現代化監測和管理水平的安全監測系統，加強事故檢測及緩解措施，充分體現運行可靠，反應及時(shí)，監控準確的特點(diǎn)

5.結論

本文成功地將光纖 Bragg光柵溫度傳感器和應變傳感器應用到大壩的施工監測中，為進(jìn)一步的工程應用積累了寶貴的經(jīng)驗，監測的結果表明：光纖光柵應變傳感器具有優(yōu)越的傳感性能，特別是在長(cháng)期穩定性方面，非常適合大壩、橋梁等工程長(cháng)期監測的需要。光纖Bragg光柵應變傳感器可以有效地監測大壩的施工過(guò)程，在實(shí)現對大壩整個(gè)生命周期的監測，大壩的長(cháng)期健康監測和安全評估方面具有極大的應用潛力和前景。

參考文獻：

[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. 智能材料器件結構與應用 武漢工業(yè)大學(xué)出版社2000.3