在水布垭面板坝安全监测中光纤光栅传感器的设计应用

引言

大坝的投资大、效益高、在国民经济发展中起着举足轻重的作用，与人民的生活也休戚相关。一个庞大的水库，一旦失事，造成人民生命财产的损失是巨大的。本文对光纤Bragg光栅的温度/ 应变传感特性进行分析和试验研究;探索其布设工艺以及在大坝施工过程、长期应变监测中的技术。

1.光纤光栅应变传感特性

光纤 Bragg光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量，其传感原理如图1所示。而光纤光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期L和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起反射或透射波长的漂移即有： DlB="2neff"·DL (1)

图1. 光纤布喇格光栅传感原理

在所有引起光栅Bragg波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期L变化，并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率neff也随外界应力状态的变化而变化，这为采用光纤Bragg光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。

2.光纤光栅温度传感试验

2.1 试验设备及材料

本文采用的是武汉理工大学光纤传感技术中心生产的光纤Bragg光栅应变传感器。接头采用通用的光纤FC/APC跳线头。Bragg中心波长识别系统采用美国Micron Optics公司生产的FBG-IS(Fiber Bragg Grating —Interrogation System)光纤光栅解调器。该仪器基于F-P(Fabry-Perrot)干涉原理对Bragg反射谱中心波长进行解调，波长分辨率为1pm，扫描范围为1283-1312nm, 扫描频率：50Hz。

2.2 应变传感试验原理及结果分析

水库大坝周边缝某处出现渗漏时，该处的水将会通过坝体表面的缝隙渗透到坝体内，并在坝体内沿缝隙流动。水在流动过程中，导致此处坝体的温度发生改变，利用光纤光栅温度传感器检测出这个温度变化即可判断出渗漏点发生的位置。采用多个光纤光栅温度传感器可以构成分布传感网络，从而实现对整个大坝周边缝渗流监测。

本试验模型平面示意图如图2 所示，将光纤光栅传感器铺设于试验水槽下方，水槽采用坝体附近的土石以尽量接近实际效果。试验模型断面示意图如图3所示。将中心波长为1296.5、 1298.5nm的光纤Bragg光栅应变传感器用102胶粘剂粘贴于发热电缆上，并在相应位置布设高精度电阻应变片，通过砝码加载。

图2 试验模型平面示意图

图3 试验模型断面示意图

本次模拟试验选择三个渗流点进行二次试水试验观察渗流点处探头试水前后温度变化过程试验数据记录如图4。其中2-1;2-2;2-3;2-4;2-5分别是处于一根单模光纤上不同位置的Bragg光栅所反映出来的温度变化曲线。