光纤传感技术在水利安全监测中的应用

窦 超

(唐山学院 基础教学部，河北 唐山 063000)

光纤传感技术在水利安全监测中的应用

窦 超

(唐山学院 基础教学部，河北 唐山 063000)

对布拉格光纤光栅(FBG)和基于光散射的分布式光纤测温技术原理进行阐述。经比较，基于拉曼散射的分布式测温系统性能良好，更易实现。同时探讨了光纤传感与计算机技术融合的智能光纤监测系统在大坝水利安全监测中的应用。

FBG传感器；分布式光纤测温；拉曼散射；智能监测系统；水利安全监测

0 引言

随着国家不断加大大型基础建设的投入力度，越来越多的水利工程建成并投入使用。因为外界环境的影响和内在物理特性的动态异变，这些水利工程随时存在安全隐患，一旦事故发生，将造成难以挽回的重大经济损失和社会影响。因此，对水利工程的远距离实时安全监测是十分必要的。传统的环境监测大都是利用电子传感器来完成的，但是这种监测手段本身有一定的局限性，比如测量精度不高，传感器布线及安装困难，使用寿命短，工作环境受限制等，所以寻找一种方便、快捷、高效的监测系统对实际工程有着重要意义。在这样的背景下光纤传感技术快速发展起来。

1 光纤传感技术简介

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界的温度、压力、位移、流速等参数相互作用，使光波的振幅、波长、相位、强度等发生改变，成为调制后的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器，通过对光波的解析即可获得被测参数[1]，其流程如图1所示。目前，光纤传感器多用于应变与温度参量的测量，如果需要监测其他环境因素，需要借助特殊装置将其变化转化为应变或温度的变化实现测量[2-3]。

图1 光纤传感器工作流程

因为光纤传感器易与光纤网络系统连接，损耗小，所以当监测对象为桥梁、大坝等大型建筑物时，多采用分布式光纤传感技术构成传感系统。以分布式测温技术为例，主要分为两类：基于光复用技术的光纤光栅测温技术和基于光散射的分布式光纤测温技术[4]。

1.1 基于光复用技术的光纤光栅分布式测温技术

FBG传感器是应用最广的光纤光栅传感器。在紫外线的照射下，掺锗或掺铒的光纤折射率会发生永久性改变。利用这一原理，可以将光栅直接“写入”光纤中，形成光纤光栅[5]。应变和温度的变化会对FBG的有效折射率和栅距产生影响，从而使得FBG的特征波长发生偏移。当入射光在光栅中传输的时候，与特征波长一致的光将被反射回来，其他波长的光顺利通过光栅，通过分析反射光的波长，可以测量应变和温度[6-7]。

FBG特殊之处在于很容易在同一根光纤中连续“写入”多个不同栅距的光纤光栅，这样可以同时测定若干部位相应的物理量及其变化。例如将光纤埋入工程结构的内部或贴装在其表面，就可以实现温度、压力、应变等多点监测，实现分布式传感测量[7]。FBG传感器感应信息用波长编码，不受光源功率的波动和光纤损耗的影响，在极端天气状态下(如洪水期间)也能正常工作，所以既可以应用于水库以及大坝的日常安全监测，也可以应用于汛期防洪预警[8]。

1.2 基于光散射的分布式光纤测温技术

光散射型分布式光纤测温技术是用激光发射器，向所连接的探测光缆发送高功率的激光脉冲，由于光纤介质的不均匀性，光在光纤中发生散射，其后向散射光有3种组分：瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光，光谱如图2所示[9]。在外界环境因素的影响下，光纤中的后向散射光光强会发生变化，通过光时域反射技术或光频域反射技术分析这一参数，可得出温度的空间分布规律。目前最为成熟的是基于拉曼散射的测温技术。拉曼散射光含有两种成分：斯托克斯光和反斯托克斯光。其中斯托克斯光与温度无关，而反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化[10]。直接测量拉曼反射光中两种光成分之比，测量的数值与绝对值无关，即使光纤随时间推移而老化，光损耗增加，仍可以保证温度测量的精度。

图2 后向散射光谱示意图

1.3 两种分布式光纤测温技术的对比

光散射型分布式光纤测温技术可以解决许多工程领域的测量难题，与光纤光栅分布式测温技术的对比如表1所示[7，9，10]。

1.4 光纤传感器的优点

与传统的传感器相比，光纤传感器有很多优点：①光波不产生也不怕电磁干扰，测量对象广泛，适于多种物理量的观测。②光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，不影响埋设点物性。③工作频率宽，动态范围大，传输线损耗低，传输距离远，光纤传感的监测距离最远可达80 km以上[11]。④耐水性、电绝缘性好，耐腐蚀，抗电磁干扰，特别适合在易燃易爆及强电磁干扰等恶劣环境下使用。这些优点使得光纤传感器技术有着非常广阔的发展前景。

表1 分布式光纤传感技术的优缺点及应用

2 智能光纤监测系统

因为水利工程大多规模庞大、地域分布广、监测项目和测点多、监测的数据量巨大，所以目前的光纤传感改变了以往仅由单个或多个敏感元件进行信号转换的形式，而将传感与通信技术及计算机技术相融合，组建成集信号获取、存储、传输、处理于一体的多功能智能监测系统。基于光纤传感的智能材料可以实现对周围环境变化的判断、适应、诊断、修复等功能，使得光纤传感在许多领域受到广泛关注。

2.1 智能光纤监测系统的硬件构成

智能光纤监测系统的硬件结构主要包括：光纤传感器信息采集系统、数据传输系统、数据解调系统、计算机软件应用平台(中心监测控制端)。系统结构如图3所示。

图3 智能光纤传感监测系统结构图

水利工程施工过程中，在被监测关键部位的钢筋混凝土结构中埋入光纤传感器。当监测点的被测参数发生突变或存在安全隐患时，光纤传感器会迅速将感应到的参数变化转换成数字信号，经数据传输系统送到计算机软件应用平台，用中央处理器进行智能分析和远程控制。

在实际铺设过程中，光纤传感器的接入节点可能发生损坏、断裂。为了防止出现某一支路的传感器与系统分离，而导致整个系统失效的现象，铺设时大多采取多路复用技术，组成环形传感网络进行多路数据采集[12]。这样即使某处节点出现损坏、断裂，也只会引起该监测点失效，而其他监测点的光纤传感器与系统仍能正常工作，大大提高了整个监测系统的可靠性。

2.2 智能光纤传感监测系统在大坝安全监测中的应用

由于光纤传感监测系统能对钢筋混凝土结构进行无损伤实时监测和远程控制，因此近些年被越来越多地应用到水利大坝及桥梁工程中，从而及时发现并排除安全隐患。

2.2.1 温度监测

工程中许多物理化学变化的发生都与温度相关，无论是施工过程中还是投入使用后，对工程内外部温度的监测都是必不可少的。基于拉曼散射原理，向光纤中注入脉冲光，其后向散射光中的反斯托克斯光的强度，受光纤沿线散射点温度的影响而改变，通过分析光强变化，便可得到温度场沿光纤的一维实时分布，其空间分辨率可精确到米[13]。

2.2.2 渗漏监测

由于大坝的渗漏会造成坝内局部温度异常，因此对渗漏的监测可采用监测坝内温度的方法[13]，其原理与测温相同。在实际应用中，可在光缆中加设加热装置使温度变化更为明显，易于渗漏处的观察判断。

2.2.3 裂缝监测

大多数钢筋混凝土结构是带裂缝工作的，如果裂缝超过允许宽度的限值就会引起渗水、钢筋锈蚀等问题，破坏混凝土结构的整体性和安全性。将传感光纤布置成与预期混凝土裂缝斜交并牢固粘贴，当光纤经过工程结构开裂处时，裂缝面处的光纤弯曲，与裂缝成一定角度(如图4所示)，造成局部高光损耗[14]。通过布里渊光时域分析仪，依据斜交光纤组的测试应变，可推算出穿过光纤的裂缝宽度，目前最小空间分辨率可达0.2 m[15]。

图4 大坝裂缝处的光缆状态

2.2.4 边坡变形监测

对较重要且存在一定滑坡危险的边坡进行监测是国内外普遍的做法，其中最广泛的是变形监测。边坡变形监测原理与裂缝监测原理相同，当高边坡和库区滑坡的内部某点发生形变时，与滑移面相接触的光缆同时发生弯曲产生横向泄露，使得该点的曲率半径变小，光功率损耗明显增加，从而对变形处进行检测定位[16]。

[1] 贾琦.光纤传感技术的发展及应用[J].中国包装工业，2014(8)：73.

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(责任编校：白丽娟)

Application of Optical Fiber Sensing Technology in Water Conservancy Safety Monitoring

DOU Chao

(Department of Fundamental Science Teaching， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

In this paper， the fiber Prague grating (FBG) and the distributed optical fiber temperature measurement technology based are discussed. It is found， through comparison， that the distributed temperature measurement system based on Raman scattering has good performance and is easy to build. The author also discusses an intelligent optic fiber monitoring system in dam safety monitoring， which integrates optical fiber sensing and computer technology.

FBG sensors； distributed optical fiber temperature measurement； Raman scattering； intelligent monitoring system； water safety monitoring

TP212.4+4；TV698.1

A

1672-349X(2015)03-0026-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.009