在水布埡面板壩安全監(jiān)測中光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用

引言

大壩的投資大、效益高、在國民經(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，一旦失事，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的損失是巨大的。本文對光纖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、長期應(yīng)變監(jiān)測中的技術(shù)。

1.光纖光柵應(yīng)變傳感特性

光纖 Bragg光柵傳感技術(shù)是通過對在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射波長光譜的檢測，實(shí)現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)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論是對光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢必導(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中心波長識(shí)別系統(tǒng)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(diào)器。該儀器基于F-P(Fabry-Perrot)干涉原理對Bragg反射譜中心波長進(jìn)行解調(diào)，波長分辨率為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)對整個(gè)大壩周邊縫滲流監(jiān)測。

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

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。