光纤光栅仪器在引水工程中的应用

周克明，杨建喜，钱亚俊，张明东，潘恒飞

（1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；3. 辽宁省东水西调工程建设局，辽宁 沈阳 110069；4. 南京理工大学，江苏 南京 210094）

光纤光栅仪器在引水工程中的应用

周克明1,2，杨建喜3，钱亚俊1，张明东4，潘恒飞4

（1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；
2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；
3. 辽宁省东水西调工程建设局，辽宁 沈阳 110069；
4. 南京理工大学，江苏 南京 210094）

光纤 Bragg 光栅传感器在岩土工程中逐步得到应用，总结传感器的特点，从信号传输距离、串联及并联组网、高温及动态监测等方面阐述优点，提出监测设计、现场应用对传感器的要求，并结合某隧道工程实例列出典型的观测成果。在引水工程的长隧洞安全监测系统中，采用光纤光栅传感器进行安全监测是一种有效的方法，可供设计单位和项目业主参考。

光纤光栅；传感器；监测；引水工程；长隧洞；串联；并联

0 引言

随着隧洞施工技术的进步，全断面掘进机在隧洞施工中的广泛应用，使得跨流域、行政区域的调水工程中的引水隧洞长度可能达数十千米，甚至上百千米。例如，引黄一期工程南干线 7 号隧洞长43.50 km，大伙房水库输水隧洞长达 85.32 km。

传统的岩土工程仪器一般是差动电阻式、振弦式等电式传感器。数十千米级的引水工程的长距离隧洞安全监测，一般中间不能设测站，常规电式仪器的电信号在长电缆中传输存在较大衰减，甚至无法正常采集数据。光纤光栅仪器可以解决此类项目中长距离信号传输问题，经过近十多年发展，其封装、解调设备、现场应用等技术日趋成熟，在岩土工程上得到逐步应用[1]。

1 光纤光栅仪器的介绍

光纤光栅传感器出现已有 40年时间，是利用光纤的光敏性，通过紫外线照射导致纤芯折射率发生变化而制成的一种光纤无源器件[2]。清华大学、武汉理工大学、重庆大学等在 20 世纪 70年代末开始进行研究，近年来，北京、上海的一些科技公司等都在进行光纤光栅监测仪器的研制和实用化生产。

1.1 工作原理

光纤 Bragg 光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）是一种常用的光栅，折射率调制深度和光栅周期都是常数。FBG 类似于波长选择反射器[3]，满足布拉格衍射条件的入射光在 FBG 处被反射，其他波长的光会全部穿过而不受影响，反射光谱在 FBG 中心波长 Λ 处出现峰值，工作时，入射光谱光经过布拉格光栅，其中一部分光透射成为透射光，还有一部分经过布拉格光栅被反射，光谱图和布拉格光栅如图 1所示。

结构（钢筋、混凝土）的变形及环境温度的变化引起光纤光栅轴向变形，布拉格波长相应变化。通过实验室测定，每支传感器的光纤 Bragg 光栅波长的变化量与被测物理量呈线性关系，用最小二乘法计算出两者之间的线性公式，从而可以由实测波长得出被测物理量。

1.2 监测内容

与传统岩土工程监测仪器类似，常用的光纤Bragg 光栅仪器有应变计、钢筋计、测缝计、温度计、渗压计等，形成光纤光栅岩土工程仪器系列。光纤光栅传感器对应变和温度交叉敏感，封装在传感器里面的光纤光栅受到环境温度、变形的影响，将改变中心波长，因此在应变计、钢筋计、渗压计等内部设 2 个光栅，以消除温度影响。一个光栅处于自由状态，用来测量环境温度，即温度光栅；另一个光栅通过特定的方式与周围结构同步变形，即应变光栅。应变光栅的波长扣除温度光栅的波长变化量即为结构变形引起的光栅变形影响。

图1 光纤光栅传感器原理示意图

光纤光栅仪器除进行常规监测外，还可以进行以下监测：

1）动态监测。隧洞充放水过程中，可以利用光纤光栅仪器及解调仪，用来进行衬砌钢筋应力等的动态测量。日本某公司的 F200 波长监控器经过检验，用光纤 Bragg 光栅传感器与传统的加速度计测得的数据吻合得很好[4]，二者在相同条件下的动态响应特性具有很好的一致性，表明光纤光栅传感器性能很好，可以用于低频震动结构（ƒ ≤ 40 Hz）的动态实时测量。

2）高温监测。2002年国外文献报道关于耐高温光纤光栅监测仪器方面的研究[5]，2007年大连理工大学的张法在实验室制作了基于化学组分光栅（CCG），用于超过 1 000℃ 的高温监测[6]。采用改变光纤组分和制作工艺相结合的方式，在光纤中同时掺入氟和锗，采用紫外线写入法在光纤上写入光纤光栅，再用特殊工艺对光纤光栅进行退火处理，得到一种耐高温光纤光栅，目前在实验室已研制成功了耐高温光纤光栅传感器。

耐高温的光纤光栅仪器可以用来进行沥青混凝土心墙等高温情况下的温度监测，上海某厂家已研制出耐高温的光纤光栅温度计。在茅坪溪堆石坝沥青混凝土心墙施工时[7]，沥青混凝土的摊铺温度为150～170℃，初碾温度是 140～160℃，终碾温度为120～140℃。沥青混凝土施工时的温度已经超过常规电式仪器（差动电阻式或振弦式仪器）的温度测量范围，没法进行施工期温度监测，而采用光纤光栅温度计可以解决此类问题。

1.3 纤芯选择

光纤光栅传感器一般采用 G.652 光纤纤芯，直径为 8～10 μm，是一种标准单模光纤，单模光纤比多模光纤的通讯距离更长，理论上的传输距离可以达 50 km。据文献 [8] 中介绍，采用切趾光纤光栅传感器，传输距离可以达到 35 km。单模光纤常称为非色散位移光纤， 工作波长为 1 310，1 550，1 550 nm的光在 G.652 光纤上传输时衰减因数很小，单从衰减因数考虑，在相同光功率下，1 550 nm 波长的光传输距离大于 1 310 nm 波长的光。因此，一般光纤光栅传感器在整个量程内工作波长在 1 550 nm 左右。

1.4 组网方式

基于 FBG 的传感器，如应变计、钢筋计等一般采用双端（首、尾）引出尾缆，双端都可以进行数据采集，当一端引出尾缆异常（折断或有杂物等）不能正常工作时，另一端引出的尾缆可继续工作；另一个作用可以将多个传感器串联后，接入解调仪的 1 个通道进行测量。

1.4.1 串联

光纤光栅与光纤之间存在良好的兼容性，可以将多个光纤光栅串联在 1 条光纤上，实现准分布式测量，系统结构如图 2 所示，但光纤光栅传感器串联数量有限制。

图2 多个光纤光栅传感器串联

FBG 反射谱中的中心波长（尖峰）为传感器波长。串联的 FBG 传感器阵列包含多个传感光栅，解调仪通过反射光波长“寻址”每一个光栅[9]，因此串联的光栅波长应具有唯一性。光纤光栅应变计或钢筋计内设 2 个光栅（应变、温度光栅各 1 个），应变、温度光栅在传感器量程范围内波长变化幅度在1～3 nm 间，为提高解调仪根据波长寻址的可靠性，建议在 2 个光栅间设 0.5 nm 的缓冲区，避免相邻的光栅在传感器量程范围内变化时波长重叠，波长分布如图 3 所示，这样每个传感器占用的波长范围为5 nm。大多 FBG 解调仪、传感器工作波长在 1 520～1 570 nm 窗口范围内，因此，串联的光纤光栅应变计、钢筋计的数量一般不超过 10 个。

图3 光纤光栅传感器串联波长分布示意图

1.4.2 并联

当光纤光栅仪器只有一端引出尾缆，在各个传感器的工作波长不重叠的情况下，可以通过分路器并联后接入解调仪，以节约解调仪通道，优化系统设计。

光纤光栅渗压计一般只有一端引出尾缆，可以用分路器将多个渗压计并联后接入解调仪，系统结构如图 4 所示。光纤光栅渗压计一端承受水压力，另一端引出 1 根尾缆。水压力通过光纤光栅渗压计端部的透水石，采用特定的结构使水压力与光纤光栅的中心波长同步变化，在实验室标定可以得出压力与波长的线性公式。

图4 多个光纤光栅渗压计并联

1.5 传感器定制

1）光纤光栅仪器波长选择。在监测系统设计阶段，应考虑将来监测仪器的串联或并联，以减少监测系统解调仪的数量，优化系统结构。监测仪器波长是能否串联或并联组网的影响因素之一，因此在设计阶段要规划各个监测仪器的满量程工作波长，避免将来串联或并联时波长重叠。

2）仪器自带尾缆长度。光路上的光损受光缆熔接接头、分路器、接插件、光缆长度等因素影响。光缆熔接会增加光损，进而影响测量灵敏度，同时增加施工保护难度，因此应尽量避免光缆熔接加长，以降低光路光损。光纤光栅仪器采购时，应定制传感器自带尾缆长度，使其能直接引到主干光缆或分路器。

2 光纤光栅传感器的标定检验

现行的大坝监测及岩土工程仪器国家标准里尚未包含光纤光栅传感器的内容[10]。传感器关键的力学性能测试方法和控制指标，在工程应用中一般参考相应振弦式仪器的国家标准。在传感器的量程范围内进行 3 个进程及回程的测试，计算分辨力、滞后、不重复度、非线性度、综合误差等指标，与振弦式仪器的相关指标比较，如果合格则可以在工程中应用，否则退回厂家。总体来说，光纤光栅仪器的测试通过率要比振弦式仪器低，主要问题集中在重复性、滞后等方面误差，在光纤光栅的选择、传感器的封装、结构方面还有待改进。

3 光纤光栅传感器的工程应用

某引水工程隧洞长达 99.00 km，安全监测系统全部采用光纤 Bragg 光栅传感器，共设置 25 个监测断面。系统中应用的光纤 Bragg 光栅传感器包括应变计、钢筋计、渗压计等，典型监测断面布置如图 5所示，监测仪器引出尾缆集中在断面仰拱部位，通过分路器接入主干光缆。

图5 断面监测仪器布置

光纤光栅传感器引出尾缆改变敷设方向时要小于规定的转弯半径，数据采集端引出的尾缆比常规电式仪器要长些。光纤光栅传感器安装埋设方法基本与常规电式传感器类似，只是更要注意保护引出尾缆，避免折断尾缆中的纤芯而导致不能采集数据。传感器在数据采集端预留的尾缆通过熔接后接入分路器或主干光缆，光缆熔接 1 次一般需要消耗50 cm 左右尾缆，建议保留 3 m 左右的尾缆，避免将来多次熔接造成尾缆太短而无法使用。

本工程隧道的衬砌采用模板台车施工，在混凝土浇筑完成后即开始采用监测仪器采集数据，观测成果如图 6 所示。衬砌内钢筋应力在初期逐渐增大，1 个月后基本处于稳定状态，目前基本处于35 MPa 的拉应力状态，钢筋应力较小，与类似工程基本一致[11]，间接表明光纤光栅仪器工作正常。

图6 典型钢筋计观测成果

4 结语

光纤 Bragg 光栅传感器与传统电式仪器相比，具有明显的优势，逐步在工程中得到应用。光纤光栅仪器具有抗电磁干扰、频带宽、重复性好，多个光栅时分、波分复用方便，以及波长编码方式不受光源功率波动和系统损耗影响。光纤光栅传感器信号传输距离可长达数十千米，能有效解决长隧洞安全监测信号传输问题；数据采样频率较高可进行动态监测，能对上百摄氏度高温的沥青混凝土进行温度监测；将多个光纤光栅传感器串联在 1 条光纤上，可实现准分布式测量；通过分路器可以将多个光纤光栅传感器以并联方式接入解调仪，以减少系统中解调仪的数量，优化系统结构。

在本引水工程中的应用表明，光纤光栅仪器能适应现场环境，在工程中得到成功应用，但也要注意一些问题，如光纤光栅监测系统设计阶段就应规划波长分配方案，避免波长重叠，以方便传感器的串联或并联；在光纤光栅仪器订购时应尽量按实际需要加长尾缆，避免现场光缆熔接加长，以降低光路上的光损。

[1] 范光亚，何勇军，李宏恩 ，等. 超长输水隧洞多种类传感器信息通讯方式探讨[C]//2013年全国大坝安全监测技术与应用学术交流论文集. 南京：全国大坝安全监测技术信息网，2013: 1-5.

[2] Kawasaki B S, Hill K O, Johnson D C, et al.Narrow-Band Bragg Reflectors in Optical Fibers.[J]. Optics Letters, 1978 (3): 66-68.

[3] Bhatia V. Properties and Applications of Fiber Gratings[J]. SPIE, 2001, 44 (17): 154-160.

[4] 张戌社，宁辰校，周荣芳. 基于光纤光栅的震动参数监测及信号处理系统[J]. 河北科技大学学报，2005，26 (2): 142-145.

[5] Fokine M. Thermal stability of chemical composition gratings in fluorine-germanium-doped silica fibers[J]. Optics Letters, 2002，27 (12): 1016-1018.

[6] 张法. 耐高温光纤光栅传感器的研究[D]. 大连：大连理工大学，2007: 19-21.

[7] 陈贵喜，汪晓民. 茅坪溪堆石坝沥青混凝土心墙施工的温度控制[J]. 中国三峡建设，2002，9 (4): 22-23.

[8] 钟江. 光纤光栅监测仪器在长隧洞远距离传输工程中的应用[J]. 甘肃水利水电，2009，45 (12): 30-33.

[9] 李科. 光纤光栅传感器的研究[D]. 太原：太原科技大学，2008: 40-41, 53-54.

[10] 中国标准出版社第一编辑室. 大坝监测及岩土工程仪器国家标准汇编[S]. 北京：中国标准出版社，2010.

[11] 段亚辉，吴家冠，方朝阳，等. 三峡永久船闸输水洞施工期钢筋应力现场试验研究[J]. 应用基础与工程科学学报，2008，16 (3): 318-327.

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

水利科技推广项目（TG1412）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（Y915010，Y314003）

周克明（1971－），男，江苏宜兴人，高级工程师，从事工程安全监测自动化系统的设计、施工、监测资料分析工作。