周克明，楊建喜，錢亞俊，張明東，潘恒飛

（1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；3. 遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局，遼寧 沈陽(yáng) 110069；4. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

光纖光柵儀器在引水工程中的應(yīng)用

周克明1,2，楊建喜3，錢亞俊1，張明東4，潘恒飛4

（1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；
2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；
3. 遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局，遼寧 沈陽(yáng) 110069；
4. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

光纖 Bragg 光柵傳感器在巖土工程中逐步得到應(yīng)用，總結(jié)傳感器的特點(diǎn)，從信號(hào)傳輸距離、串聯(lián)及并聯(lián)組網(wǎng)、高溫及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面闡述優(yōu)點(diǎn)，提出監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)傳感器的要求，并結(jié)合某隧道工程實(shí)例列出典型的觀測(cè)成果。在引水工程的長(zhǎng)隧洞安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用光纖光柵傳感器進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)是一種有效的方法，可供設(shè)計(jì)單位和項(xiàng)目業(yè)主參考。

光纖光柵；傳感器；監(jiān)測(cè)；引水工程；長(zhǎng)隧洞；串聯(lián)；并聯(lián)

0 引言

隨著隧洞施工技術(shù)的進(jìn)步，全斷面掘進(jìn)機(jī)在隧洞施工中的廣泛應(yīng)用，使得跨流域、行政區(qū)域的調(diào)水工程中的引水隧洞長(zhǎng)度可能達(dá)數(shù)十千米，甚至上百千米。例如，引黃一期工程南干線 7 號(hào)隧洞長(zhǎng)43.50 km，大伙房水庫(kù)輸水隧洞長(zhǎng)達(dá) 85.32 km。

傳統(tǒng)的巖土工程儀器一般是差動(dòng)電阻式、振弦式等電式傳感器。數(shù)十千米級(jí)的引水工程的長(zhǎng)距離隧洞安全監(jiān)測(cè)，一般中間不能設(shè)測(cè)站，常規(guī)電式儀器的電信號(hào)在長(zhǎng)電纜中傳輸存在較大衰減，甚至無法正常采集數(shù)據(jù)。光纖光柵儀器可以解決此類項(xiàng)目中長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸問題，經(jīng)過近十多年發(fā)展，其封裝、解調(diào)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等技術(shù)日趨成熟，在巖土工程上得到逐步應(yīng)用[1]。

1 光纖光柵儀器的介紹

光纖光柵傳感器出現(xiàn)已有 40年時(shí)間，是利用光纖的光敏性，通過紫外線照射導(dǎo)致纖芯折射率發(fā)生變化而制成的一種光纖無源器件[2]。清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、重慶大學(xué)等在 20 世紀(jì) 70年代末開始進(jìn)行研究，近年來，北京、上海的一些科技公司等都在進(jìn)行光纖光柵監(jiān)測(cè)儀器的研制和實(shí)用化生產(chǎn)。

1.1 工作原理

光纖 Bragg 光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）是一種常用的光柵，折射率調(diào)制深度和光柵周期都是常數(shù)。FBG 類似于波長(zhǎng)選擇反射器[3]，滿足布拉格衍射條件的入射光在 FBG 處被反射，其他波長(zhǎng)的光會(huì)全部穿過而不受影響，反射光譜在 FBG 中心波長(zhǎng) Λ 處出現(xiàn)峰值，工作時(shí)，入射光譜光經(jīng)過布拉格光柵，其中一部分光透射成為透射光，還有一部分經(jīng)過布拉格光柵被反射，光譜圖和布拉格光柵如圖 1所示。

結(jié)構(gòu)（鋼筋、混凝土）的變形及環(huán)境溫度的變化引起光纖光柵軸向變形，布拉格波長(zhǎng)相應(yīng)變化。通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，每支傳感器的光纖 Bragg 光柵波長(zhǎng)的變化量與被測(cè)物理量呈線性關(guān)系，用最小二乘法計(jì)算出兩者之間的線性公式，從而可以由實(shí)測(cè)波長(zhǎng)得出被測(cè)物理量。

1.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

與傳統(tǒng)巖土工程監(jiān)測(cè)儀器類似，常用的光纖Bragg 光柵儀器有應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、測(cè)縫計(jì)、溫度計(jì)、滲壓計(jì)等，形成光纖光柵巖土工程儀器系列。光纖光柵傳感器對(duì)應(yīng)變和溫度交叉敏感，封裝在傳感器里面的光纖光柵受到環(huán)境溫度、變形的影響，將改變中心波長(zhǎng)，因此在應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)等內(nèi)部設(shè) 2 個(gè)光柵，以消除溫度影響。一個(gè)光柵處于自由狀態(tài)，用來測(cè)量環(huán)境溫度，即溫度光柵；另一個(gè)光柵通過特定的方式與周圍結(jié)構(gòu)同步變形，即應(yīng)變光柵。應(yīng)變光柵的波長(zhǎng)扣除溫度光柵的波長(zhǎng)變化量即為結(jié)構(gòu)變形引起的光柵變形影響。

圖1 光纖光柵傳感器原理示意圖

光纖光柵儀器除進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)外，還可以進(jìn)行以下監(jiān)測(cè)：

1）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。隧洞充放水過程中，可以利用光纖光柵儀器及解調(diào)儀，用來進(jìn)行襯砌鋼筋應(yīng)力等的動(dòng)態(tài)測(cè)量。日本某公司的 F200 波長(zhǎng)監(jiān)控器經(jīng)過檢驗(yàn)，用光纖 Bragg 光柵傳感器與傳統(tǒng)的加速度計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合得很好[4]，二者在相同條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性具有很好的一致性，表明光纖光柵傳感器性能很好，可以用于低頻震動(dòng)結(jié)構(gòu)（? ≤ 40 Hz）的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。

2）高溫監(jiān)測(cè)。2002年國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于耐高溫光纖光柵監(jiān)測(cè)儀器方面的研究[5]，2007年大連理工大學(xué)的張法在實(shí)驗(yàn)室制作了基于化學(xué)組分光柵（CCG），用于超過 1 000℃ 的高溫監(jiān)測(cè)[6]。采用改變光纖組分和制作工藝相結(jié)合的方式，在光纖中同時(shí)摻入氟和鍺，采用紫外線寫入法在光纖上寫入光纖光柵，再用特殊工藝對(duì)光纖光柵進(jìn)行退火處理，得到一種耐高溫光纖光柵，目前在實(shí)驗(yàn)室已研制成功了耐高溫光纖光柵傳感器。

耐高溫的光纖光柵儀器可以用來進(jìn)行瀝青混凝土心墻等高溫情況下的溫度監(jiān)測(cè)，上海某廠家已研制出耐高溫的光纖光柵溫度計(jì)。在茅坪溪堆石壩瀝青混凝土心墻施工時(shí)[7]，瀝青混凝土的攤鋪溫度為150～170℃，初碾溫度是 140～160℃，終碾溫度為120～140℃。瀝青混凝土施工時(shí)的溫度已經(jīng)超過常規(guī)電式儀器（差動(dòng)電阻式或振弦式儀器）的溫度測(cè)量范圍，沒法進(jìn)行施工期溫度監(jiān)測(cè)，而采用光纖光柵溫度計(jì)可以解決此類問題。

1.3 纖芯選擇

光纖光柵傳感器一般采用 G.652 光纖纖芯，直徑為 8～10 μm，是一種標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，單模光纖比多模光纖的通訊距離更長(zhǎng)，理論上的傳輸距離可以達(dá) 50 km。據(jù)文獻(xiàn) [8] 中介紹，采用切趾光纖光柵傳感器，傳輸距離可以達(dá)到 35 km。單模光纖常稱為非色散位移光纖， 工作波長(zhǎng)為 1 310，1 550，1 550 nm的光在 G.652 光纖上傳輸時(shí)衰減因數(shù)很小，單從衰減因數(shù)考慮，在相同光功率下，1 550 nm 波長(zhǎng)的光傳輸距離大于 1 310 nm 波長(zhǎng)的光。因此，一般光纖光柵傳感器在整個(gè)量程內(nèi)工作波長(zhǎng)在 1 550 nm 左右。

1.4 組網(wǎng)方式

基于 FBG 的傳感器，如應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)等一般采用雙端（首、尾）引出尾纜，雙端都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)一端引出尾纜異常（折斷或有雜物等）不能正常工作時(shí)，另一端引出的尾纜可繼續(xù)工作；另一個(gè)作用可以將多個(gè)傳感器串聯(lián)后，接入解調(diào)儀的 1 個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量。

1.4.1 串聯(lián)

光纖光柵與光纖之間存在良好的兼容性，可以將多個(gè)光纖光柵串聯(lián)在 1 條光纖上，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，但光纖光柵傳感器串聯(lián)數(shù)量有限制。

圖2 多個(gè)光纖光柵傳感器串聯(lián)

FBG 反射譜中的中心波長(zhǎng)（尖峰）為傳感器波長(zhǎng)。串聯(lián)的 FBG 傳感器陣列包含多個(gè)傳感光柵，解調(diào)儀通過反射光波長(zhǎng)“尋址”每一個(gè)光柵[9]，因此串聯(lián)的光柵波長(zhǎng)應(yīng)具有唯一性。光纖光柵應(yīng)變計(jì)或鋼筋計(jì)內(nèi)設(shè) 2 個(gè)光柵（應(yīng)變、溫度光柵各 1 個(gè)），應(yīng)變、溫度光柵在傳感器量程范圍內(nèi)波長(zhǎng)變化幅度在1～3 nm 間，為提高解調(diào)儀根據(jù)波長(zhǎng)尋址的可靠性，建議在 2 個(gè)光柵間設(shè) 0.5 nm 的緩沖區(qū)，避免相鄰的光柵在傳感器量程范圍內(nèi)變化時(shí)波長(zhǎng)重疊，波長(zhǎng)分布如圖 3 所示，這樣每個(gè)傳感器占用的波長(zhǎng)范圍為5 nm。大多 FBG 解調(diào)儀、傳感器工作波長(zhǎng)在 1 520～1 570 nm 窗口范圍內(nèi)，因此，串聯(lián)的光纖光柵應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)的數(shù)量一般不超過 10 個(gè)。

圖3 光纖光柵傳感器串聯(lián)波長(zhǎng)分布示意圖

1.4.2 并聯(lián)

當(dāng)光纖光柵儀器只有一端引出尾纜，在各個(gè)傳感器的工作波長(zhǎng)不重疊的情況下，可以通過分路器并聯(lián)后接入解調(diào)儀，以節(jié)約解調(diào)儀通道，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

光纖光柵滲壓計(jì)一般只有一端引出尾纜，可以用分路器將多個(gè)滲壓計(jì)并聯(lián)后接入解調(diào)儀，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。光纖光柵滲壓計(jì)一端承受水壓力，另一端引出 1 根尾纜。水壓力通過光纖光柵滲壓計(jì)端部的透水石，采用特定的結(jié)構(gòu)使水壓力與光纖光柵的中心波長(zhǎng)同步變化，在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定可以得出壓力與波長(zhǎng)的線性公式。

圖4 多個(gè)光纖光柵滲壓計(jì)并聯(lián)

1.5 傳感器定制

1）光纖光柵儀器波長(zhǎng)選擇。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮將來監(jiān)測(cè)儀器的串聯(lián)或并聯(lián)，以減少監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解調(diào)儀的數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)儀器波長(zhǎng)是能否串聯(lián)或并聯(lián)組網(wǎng)的影響因素之一，因此在設(shè)計(jì)階段要規(guī)劃各個(gè)監(jiān)測(cè)儀器的滿量程工作波長(zhǎng)，避免將來串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)波長(zhǎng)重疊。

2）儀器自帶尾纜長(zhǎng)度。光路上的光損受光纜熔接接頭、分路器、接插件、光纜長(zhǎng)度等因素影響。光纜熔接會(huì)增加光損，進(jìn)而影響測(cè)量靈敏度，同時(shí)增加施工保護(hù)難度，因此應(yīng)盡量避免光纜熔接加長(zhǎng)，以降低光路光損。光纖光柵儀器采購(gòu)時(shí)，應(yīng)定制傳感器自帶尾纜長(zhǎng)度，使其能直接引到主干光纜或分路器。

2 光纖光柵傳感器的標(biāo)定檢驗(yàn)

現(xiàn)行的大壩監(jiān)測(cè)及巖土工程儀器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里尚未包含光纖光柵傳感器的內(nèi)容[10]。傳感器關(guān)鍵的力學(xué)性能測(cè)試方法和控制指標(biāo)，在工程應(yīng)用中一般參考相應(yīng)振弦式儀器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在傳感器的量程范圍內(nèi)進(jìn)行 3 個(gè)進(jìn)程及回程的測(cè)試，計(jì)算分辨力、滯后、不重復(fù)度、非線性度、綜合誤差等指標(biāo)，與振弦式儀器的相關(guān)指標(biāo)比較，如果合格則可以在工程中應(yīng)用，否則退回廠家?？傮w來說，光纖光柵儀器的測(cè)試通過率要比振弦式儀器低，主要問題集中在重復(fù)性、滯后等方面誤差，在光纖光柵的選擇、傳感器的封裝、結(jié)構(gòu)方面還有待改進(jìn)。

3 光纖光柵傳感器的工程應(yīng)用

某引水工程隧洞長(zhǎng)達(dá) 99.00 km，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全部采用光纖 Bragg 光柵傳感器，共設(shè)置 25 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。系統(tǒng)中應(yīng)用的光纖 Bragg 光柵傳感器包括應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)等，典型監(jiān)測(cè)斷面布置如圖 5所示，監(jiān)測(cè)儀器引出尾纜集中在斷面仰拱部位，通過分路器接入主干光纜。

圖5 斷面監(jiān)測(cè)儀器布置

光纖光柵傳感器引出尾纜改變敷設(shè)方向時(shí)要小于規(guī)定的轉(zhuǎn)彎半徑，數(shù)據(jù)采集端引出的尾纜比常規(guī)電式儀器要長(zhǎng)些。光纖光柵傳感器安裝埋設(shè)方法基本與常規(guī)電式傳感器類似，只是更要注意保護(hù)引出尾纜，避免折斷尾纜中的纖芯而導(dǎo)致不能采集數(shù)據(jù)。傳感器在數(shù)據(jù)采集端預(yù)留的尾纜通過熔接后接入分路器或主干光纜，光纜熔接 1 次一般需要消耗50 cm 左右尾纜，建議保留 3 m 左右的尾纜，避免將來多次熔接造成尾纜太短而無法使用。

本工程隧道的襯砌采用模板臺(tái)車施工，在混凝土澆筑完成后即開始采用監(jiān)測(cè)儀器采集數(shù)據(jù)，觀測(cè)成果如圖 6 所示。襯砌內(nèi)鋼筋應(yīng)力在初期逐漸增大，1 個(gè)月后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，目前基本處于35 MPa 的拉應(yīng)力狀態(tài)，鋼筋應(yīng)力較小，與類似工程基本一致[11]，間接表明光纖光柵儀器工作正常。

圖6 典型鋼筋計(jì)觀測(cè)成果

4 結(jié)語

光纖 Bragg 光柵傳感器與傳統(tǒng)電式儀器相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，逐步在工程中得到應(yīng)用。光纖光柵儀器具有抗電磁干擾、頻帶寬、重復(fù)性好，多個(gè)光柵時(shí)分、波分復(fù)用方便，以及波長(zhǎng)編碼方式不受光源功率波動(dòng)和系統(tǒng)損耗影響。光纖光柵傳感器信號(hào)傳輸距離可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十千米，能有效解決長(zhǎng)隧洞安全監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸問題；數(shù)據(jù)采樣頻率較高可進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能對(duì)上百攝氏度高溫的瀝青混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)；將多個(gè)光纖光柵傳感器串聯(lián)在 1 條光纖上，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量；通過分路器可以將多個(gè)光纖光柵傳感器以并聯(lián)方式接入解調(diào)儀，以減少系統(tǒng)中解調(diào)儀的數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在本引水工程中的應(yīng)用表明，光纖光柵儀器能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，在工程中得到成功應(yīng)用，但也要注意一些問題，如光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就應(yīng)規(guī)劃波長(zhǎng)分配方案，避免波長(zhǎng)重疊，以方便傳感器的串聯(lián)或并聯(lián)；在光纖光柵儀器訂購(gòu)時(shí)應(yīng)盡量按實(shí)際需要加長(zhǎng)尾纜，避免現(xiàn)場(chǎng)光纜熔接加長(zhǎng)，以降低光路上的光損。

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Application of Fiber Bragg Grating Monitoring Instrument in Water Diversion Project

ZHOU Keming1,2, YANG Jianxi3, QIAN Yajun1, ZHANG Mingdong4, PAN Hengfei4
(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;
2. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3. Liaoning Province East-to-West Water Transfer Project Construction Bureau, Shenyang 110069, China;
4. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Fiber Bragg grating sensors are gradually used in geotechnical engineering. This paper summarizes features of the FBG sensors, such as the distance of signal transmission, series connection and parallel connection, high temperature and dynamic monitoring, etc., puts forward demands of monitoring design and field application for sensor, and lists typical observation results combining with a tunnel project instance. Using FBG sensors is an effective solution in the safety monitoring system of the long tunnel in diversion project, it can be referenced by designer and project owners.

optical fiber grating; sensor; monitoring; diversion project; long tunnel Monitor; series connection；parallel connection

TV67

A

1674-9405(2015)04-0044-04

2015-03-18

水利科技推廣項(xiàng)目（TG1412）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（Y915010，Y314003）

周克明（1971－），男，江蘇宜興人，高級(jí)工程師，從事工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)資料分析工作。