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

引言

大壩的投資大、效益高、在國民經(jīng)濟發(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(yīng)變傳感特性進行分析和試驗研究;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，因為無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，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

2.1 試驗設(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)變傳感試驗原理及結(jié)果分析

水庫大壩周邊縫某處出現(xiàn)滲漏時，該處的水將會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。水在流動過程中，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溫度變化即可判斷出滲漏點發(fā)生的位置。采用多個光纖光柵溫度傳感器可以構(gòu)成分布傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)對整個大壩周邊縫滲流監(jiān)測。

本試驗?zāi)Ｐ推矫媸疽鈭D如圖2 所示，將光纖光柵傳感器鋪設(shè)于試驗水槽下方，水槽采用壩體附近的土石以盡量接近實際效果。試驗?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?zāi)Ｐ推矫媸疽鈭D

圖3 試驗?zāi)Ｐ蛿嗝媸疽鈭D

本次模擬試驗選擇三個滲流點進行二次試水試驗觀察滲流點處探頭試水前后溫度變化過程試驗數(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。