周克明，趙允亮，王振平（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029；2.南京水利水文自動化研究所，江蘇南京，210012；3.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇南京，210012；.遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽，110006；.宜興市油車水庫管理所，江蘇宜興，21200）

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FBG傳感器在巖土工程應(yīng)用中常見失效成因及改進(jìn)方法

周克明1.2.3，趙允亮4，王振平5
（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029；2.南京水利水文自動化研究所，江蘇南京，210012；3.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇南京，210012；4.遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽，110006；5.宜興市油車水庫管理所，江蘇宜興，214200）

FBG傳感器在巖土工程中逐步應(yīng)用，埋設(shè)儀器完好率是應(yīng)用成功與否的重要考核指標(biāo)之一。從FBG傳感器原理、結(jié)構(gòu)及埋設(shè)安裝等出發(fā)，總結(jié)了在工程應(yīng)用中的多種失效原因，并詳細(xì)分析了典型的光纖夾持松弛時應(yīng)變光柵波長的變化特點。提出了FBG傳感器在尾纜的保護(hù)、傳感器封裝、老化刪選等方面的一些建議，以提高埋設(shè)儀器完好率、實現(xiàn)監(jiān)測目的。

FBG傳感器；失效；波長；改進(jìn)方法

0　前言

《大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)驗收規(guī)范》中就安全監(jiān)測系統(tǒng)分部工程質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)這樣規(guī)定：混凝土壩、土石壩埋入式不可更換儀器設(shè)施完好率分別在85%、80%以上為合格［1］，從規(guī)范的高度確認(rèn)了監(jiān)測儀器失效的客觀存在。光纖光柵安全監(jiān)測儀器在埋設(shè)以及運(yùn)行過程中都可能失效，針對其失效原因及規(guī)律的分析，在各類文獻(xiàn)中很少提及。

基于光纖光柵開發(fā)的主要產(chǎn)品有布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，簡稱FBG）、長周期光柵、啁啾光柵，其中FBG是最普遍的一種光纖光柵。近10年來，F(xiàn)BG傳感器開始在大壩、隧洞等巖土工程的安全監(jiān)測中逐步使用，其封裝、解調(diào)技術(shù)得到快速發(fā)展。安裝完成后的FBG傳感器及引出尾纜長期處在潮濕、高壓、震動以及復(fù)雜的化學(xué)環(huán)境中，部分傳感器可能逐步失效。從光纖光柵傳感器原理、結(jié)構(gòu)、埋設(shè)安裝等方面出發(fā)，分析了其失效的多種原因，列舉了應(yīng)力松弛而使傳感器失效的典型變化規(guī)律，可供相關(guān)單位參考。

1　FBG傳感器原理和結(jié)構(gòu)

1.1原理

光纖光柵傳感器的敏感部件是FBG，根據(jù)刻柵工藝及需求而異，其長度一般約1 cm［2］，可看作一個窄帶反光鏡。當(dāng)波長為1 525～1 565 nm的C波段或波長為1 656～1 610 nm的L波段的光進(jìn)入FBG時，會反射波長滿足Bragg條件的光而透射其余波長的光，被反射的波長稱為Bragg波長，式（1）為Bragg光柵滿足的方程：

其中λB為反射波長；neff為光纖光柵的有效折射率，與光纖材質(zhì)有關(guān)；Λ為光柵的柵距，即每個寫入光柵之間的距離，也稱光柵周期。當(dāng)光柵周期發(fā)生變化時，反射波長λB會發(fā)生漂移；在光纖的彈性范圍內(nèi)，反射波長的漂移量△λB與應(yīng)變呈線性相關(guān)，根據(jù)波長漂移量即可得到應(yīng)變變化量。

1.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)

FBG封裝在傳感器里面，同時受應(yīng)變和溫度的交叉作用，需要同步測量環(huán)境溫度來消除溫度影響。為扣除溫度對應(yīng)變波長的影響，一些廠家生產(chǎn)的傳感器里面同時封裝與主體同步變形的應(yīng)變光柵和處于自由狀態(tài)的溫度光柵，分別用來測量應(yīng)變和溫度；有些廠家在應(yīng)變傳感器里面只設(shè)應(yīng)變柵，另配光纖光柵溫度計來達(dá)到同樣目的。

裸光纖直徑一般為8～10 um，主要成分是Si02，在沒有保護(hù)層的情況下極易受損或被折斷，給FBG傳感器的研制帶來困難。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括應(yīng)變FBG光柵、一對夾持部件及主體組成的應(yīng)變傳感組件，以及一個溫度FBG。夾持部件為金屬材料，與變形的主體焊接在一起。溫度FBG處于自由狀態(tài)，波長只受環(huán)境溫度的影響；應(yīng)變FBG同時受主體變形及環(huán)境溫度影響，通過一定的換算扣除溫度影響后就可以到主體應(yīng)變量。

圖1　光纖光柵鋼筋計內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of FBG extensometer

2　傳感器失效測值表現(xiàn)及成因分析

差動電阻式、鋼弦式等常規(guī)傳感器都是單端引出5芯或4芯電纜。根據(jù)現(xiàn)場需要，F(xiàn)BG傳感器可以定制一端或兩端引出尾纜，任意一端可以單獨接入解調(diào)儀測量。傳感器兩端出纜時，不同波長的傳感器可以串聯(lián)使用，形成準(zhǔn)分布式測量系統(tǒng)。尾纜一般為單芯、直徑φ3 mm或φ8 mm的鎧裝形式，環(huán)形鋼圈將裸纖包裹在中間，避免裸纖受拉，同時有一定的轉(zhuǎn)彎半徑。

FBG傳感器失效或異常的外因一般是引出尾纜斷路，常見內(nèi)因是FBG夾持力松弛。

2.1尾纜斷路

當(dāng)兩端出纜的FBG傳感器一端發(fā)生光纖斷路時，斷路側(cè)尾纜接入解調(diào)儀后，測不到波峰，而另一端尾纜接入解調(diào)儀則能正常測量，且其波長與前期波長基本一致，此時觀測數(shù)據(jù)能正常使用。當(dāng)傳感器引出尾纜轉(zhuǎn)彎半徑超過其允許值，光路中光損增大，可能導(dǎo)致該端測不到波長，此時應(yīng)及時擴(kuò)大尾纜轉(zhuǎn)彎半徑，恢復(fù)正常測量。傳感器引出尾纜斷路的原因歸納如下。

（1）粗放施工導(dǎo)致尾纜斷路。性能良好的FBG傳感器要通過完好的尾纜體現(xiàn)出來，引出尾纜的保護(hù)是保證埋設(shè)儀器完好率的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器在混凝土澆筑時安裝埋設(shè)，其引出尾纜受施工現(xiàn)場鋼筋焊接、混凝土澆筑、人員作業(yè)等各種因素的影響，混凝土振搗施工更可能造成尾纜斷路，復(fù)雜的尾纜敷設(shè)路徑增加了后期鉆孔損傷的可能性。傳感器埋設(shè)過程時，加強(qiáng)旁站檢查、避免任意改變尾纜走向、套管保護(hù)等措施可以有效保護(hù)尾纜，提高儀器埋設(shè)完好率。

（2）接縫變形過大致使尾纜斷路。傳感器引出尾纜通常要一定的長度才能引到斷面接頭保護(hù)設(shè)備，尾纜線路上需要穿過壩段接縫時，需要用伸縮節(jié)型鋼管保護(hù)，并使尾纜有一定的富余長度，避免接縫變形時拉斷尾纜。

（3）化學(xué)侵蝕造成尾纜斷路。光纖線路對絕緣無要求，傳感器仍需密封設(shè)計。傳感器內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)需要防潮防銹，另一方面是FBG熔接點處需要防止腐蝕。大體積混凝土析出水有很強(qiáng)的堿性，pH值可以到12.5～13.5［3］，標(biāo)準(zhǔn)通訊石英玻璃光纖表面的聚酰胺脂涂層能防止因強(qiáng)堿腐蝕玻璃纖維而減弱光纖的化學(xué)耐久性［4］。光纖熔接加長尾纜時，需要剝?nèi)ス饫w表面涂層，熔接部位成為一個薄弱環(huán)節(jié)，成為容易發(fā)生光纖斷路的部位，因此光纖光柵儀器的密封防水也非常重要。在傳感器到分路器或測站之間的尾纜需要熔接時，熔接部位不僅要用熱縮管、鋼管保護(hù)，還要考慮密封保護(hù)。

（4）超量程引起光纖斷路。裸光纖允許拉升為1%左右，拉到5%時將斷裂［5］。光纖光柵應(yīng)變計量程一般為±1 500微應(yīng)變，整個量程內(nèi)3 000微應(yīng)變的變幅相當(dāng)于光纖長度0.3%的變形量。當(dāng)傳感器承受拉應(yīng)變過大，F(xiàn)BG受拉超過其允許應(yīng)變時，光纖光柵就可能斷裂。為使傳感器有受壓量程，在制程中有一個光纖光柵預(yù)拉的流程，使FBG處于張緊狀態(tài)，以具備一定的受壓量程，如此，光纖光柵抗拉能力將降低。

2.2FBG夾持松弛

FBG裸光纖為玻璃纖維，傳感器變形主體為金屬材料，需要將兩者長期有效聯(lián)接成一體，同步變形，F(xiàn)BG才能有效反映物理量變化，這是研制光纖光柵儀器的關(guān)鍵工藝。該工藝大致可以分為兩類：一類是在裸光纖外套金屬保護(hù)管，兩者之間用環(huán)氧樹脂或其他聚合材料可靠粘結(jié)［6］，保護(hù)管再與主體焊接；另一種是采用全金屬化封裝，即裸光纖外鍍金屬層［7］，再將金屬鍍層與主體激光焊接成整體。

以上兩種封裝方式，隨著時間延長、環(huán)境震動、化學(xué)腐蝕等原因，F(xiàn)BG裸光纖與外套金屬管或金屬鍍層之間可能失去整體性，激光焊接點也可能銹蝕脫落，都將導(dǎo)致FBG與主體脫開而不能同步變形，即光纖光柵夾持松弛。此時應(yīng)變柵的波長表現(xiàn)為逐步變小且幅度逐漸變大直至突變。當(dāng)外界物理量沒有異常變化時，傳感器應(yīng)變光柵波長一般為pm級變化量，而短時間內(nèi)發(fā)生nm級突變時，就可能是上述原因。

典型的FBG夾持松弛的監(jiān)測成果如圖2所示。某項目的一個光纖光柵鋼筋計在2015年2月24日前的測值穩(wěn)定期內(nèi)，相鄰測次間應(yīng)變波長的變化量一般在0.01 nm左右。在相鄰的2次測值，即2015年2月24日和2015年3月3日，應(yīng)變波長測值為1 539.539 nm和1 537.540 nm，突變1.999 nm，且是波長變小。變化幅度為前期測值變幅的近200倍左右，明顯異常，后期波長測值并未恢復(fù)到前期規(guī)律。在應(yīng)變波長發(fā)生突變的同時，該鋼筋計的溫度波長只變化了0.001 nm，其變化規(guī)律完全與前期一致，表明應(yīng)變波長的突變不是環(huán)境溫度變化引起。相鄰位置的鋼筋計在同一時刻并沒有發(fā)生類似的應(yīng)變波長測值突變情況。檢查該鋼筋計廠家標(biāo)定資料，其0～300 MPa量程范圍內(nèi)對應(yīng)的應(yīng)變波長為1 539.998～1 542.383 nm，突變后應(yīng)變波長為1 537.540 nm左右，已經(jīng)超過其量程下限，監(jiān)測數(shù)據(jù)已不能真實反映鋼筋應(yīng)力。

圖2　光纖光柵鋼筋計應(yīng)變波長、溫度波長過程線Fig.2 Wavelength graph of strain and temperature measured by FBG extensometer

該鋼筋計失效前2個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示，從2015年1月27日開始，應(yīng)變波長的測值逐步減小，且變化速率逐漸變大，失效前的最后兩次測值時間內(nèi)，日變幅為0.008 nm/d。在2015年2月24日與2015年3月3日之間，應(yīng)變波長測值突變后儀器失效。鋼筋計失效前2個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線圖如圖3所示，從圖中可以看出，鋼筋計失效前的應(yīng)變波長呈明顯的趨勢性變化，用三次多項式擬合，擬合方程見式（2）：

相關(guān)系數(shù)R=0.997，相關(guān)性非常好。

表1　鋼筋計失效前觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表（單位：nm）Table 1 Statistics of the measured data before the invalidation of extensometer

鋼筋計應(yīng)變光柵失效后，可作為備用溫度計使用。從光纖光柵儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，當(dāng)處于張緊狀態(tài)的應(yīng)變光柵發(fā)生夾持松弛后，即處于不與主體同步變形的自由狀態(tài)，應(yīng)變柵與溫度光柵處于同一環(huán)境下，兩者波長變化只受溫度影響。從鋼筋計失效后的觀測數(shù)據(jù)看，應(yīng)變波長變化規(guī)律與該儀器的溫度波長類似。鋼筋計失效后應(yīng)變波長與溫度波長過程線如圖4所示，可以看出兩者的一致性很好。

鋼筋計失效前、后應(yīng)變波長與溫度波長測值過程線的相關(guān)圖如圖5、圖6所示，兩者相關(guān)系數(shù)分別為0.84和0.99。鋼筋計失效前，應(yīng)變波長與溫度波長之間的相關(guān)性一般，應(yīng)變光柵受應(yīng)變和溫度同時作用，主要受溫度變形的影響；鋼筋計失效后，應(yīng)變波長基本不受應(yīng)變的影響，只受溫度的影響，應(yīng)變波長與溫度波長相關(guān)性非常一致，此時鋼筋計的應(yīng)變柵可以作為備用溫度計使用。

圖3　鋼筋計失效前應(yīng)變波長、溫度波長過程線Fig.3 Wavelength of strain and temperature before the invalidation of extensometer

3　改進(jìn)建議

（1）傳感器盡量采用雙端出纜。雙端出纜可以串聯(lián)不同波長的多個傳感器，形成分布式測量系統(tǒng)，減少解調(diào)儀的通道數(shù)量。另一方面，傳感器一端尾纜異常后，另一端的尾纜仍可以正常工作，可提高埋設(shè)儀器完好率。

圖4　鋼筋計失效后應(yīng)變波長、溫度波長過程線Fig.4 Wavelength of strain and temperature after the invalidation of extensometer

圖5　鋼筋計失效前應(yīng)變波長、溫度波長相關(guān)圖Fig.5 Relation between wavelength of strain and wavelength of temperature before the invalidation of extensometer

（2）進(jìn)一步測試各種封裝工藝，并加強(qiáng)老化篩選。FBG與傳感器主體之間的有效聯(lián)接是確保監(jiān)測數(shù)據(jù)有效的關(guān)鍵，不論全金屬化封裝還是用各種聚合物粘結(jié)，都有可能發(fā)生應(yīng)力松弛而聯(lián)接失效，導(dǎo)致傳感器失效。從工程現(xiàn)場的經(jīng)驗來看，建議光纖光柵傳感器應(yīng)進(jìn)行半年左右的老化篩選。

圖6　鋼筋計失效后應(yīng)變波長、溫度波長相關(guān)圖Fig.6 Relation between wavelength of strain and wavelength of temperature after the invalidation of extensometer

（3）在傳感器內(nèi)部設(shè)一個備份應(yīng)變光柵。根據(jù)工程使用經(jīng)驗看，失效的光纖光柵儀器有少量是因為內(nèi)部封裝、焊接或裝配出現(xiàn)問題。在重要監(jiān)測部位的監(jiān)測儀器內(nèi)部設(shè)兩個應(yīng)變光柵，當(dāng)一個光柵失效時，可以用另一個光柵的監(jiān)測資料，取得有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高埋設(shè)儀器的完好率。實踐表明，這種方式是可行的，缺點是FBG傳感器內(nèi)部光纖路徑在小空間內(nèi)多次改變，容易增加光損，將減少一條光路上可串聯(lián)的傳感器數(shù)量，增加了傳感器裝配難度。

4　結(jié)語

從光纖光柵儀器在巖土工程中的應(yīng)用看，提高其完好率的方法與常規(guī)電式巖土工程儀器有類似的地方，如傳感器引出尾纜的保護(hù)、光纜熔接的密封、穿過接縫的方式。光纖光柵儀器采用兩端出纜，內(nèi)部設(shè)備用應(yīng)變柵等可以適當(dāng)提高埋設(shè)儀器完好率。當(dāng)FBG與變形主體之間發(fā)生應(yīng)力松弛而逐步脫開時，其應(yīng)變波長呈指數(shù)變化，幅度越來越大，直至大幅度突變而失效。這種情況可能發(fā)生在裝配完成半年左右，傳感器的老化篩選能及時發(fā)現(xiàn)該問題。發(fā)生這類傳感器失效情況，應(yīng)變柵仍可以作為溫度計使用。

［1］GB/T 22385-2008，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)驗收規(guī)范［S］.

［2］李科.光纖光柵傳感器的研究［D］.太原：太原科技大學(xué)，2008：53-54.

［3］顧雙鳴，劉占龍.水下混凝土中鋼筋銹蝕原因分析［J］.黑龍江水利科技，2008，36：186.

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［7］李小甫，姜德生，余海湖，等.石英光纖表面化學(xué)鍍鎳磷合金工藝［J］.化工學(xué)報，2005，56（1）：126-129.

FBG sensor is used in geotechnical engineering gradually.Success rate of embedded instrument is an important indicator for successful application.Based on the principle，structure，installation and embedment of FBG sensor，this paper summarized multiple failure causes in engineering application and studied the typical characteristics of wavelength changing when FBG relaxed.In order to enhance the success rate of embedded instrument and to realize monitoring purposes，the paper put forward some advices on the protection of optical fiber cable，sensor package，aging screening，etc.，for reference.

FBG sensor；invalidation；wavelength；improvement method

TP212

A

1671-1092（2016）02-0006-05

2015-07-30

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金：Y915010

周克明（1971-），男，江蘇宜興人，高級工程師，碩士，任工程安全監(jiān)測研究室副主任，從事工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)計、施工、監(jiān)測資料分析等工作與研究。

作者郵箱：382842629@qq.com

Title：Reasons for invalidation of FBG sensor applied in geotechnical engineering and improvement method//by ZHOU Ke-ming，ZHAO Yun-liang and WANG Zhen-ping//Nanjing Hydraulic Research Institute