FBG传感器在岩土工程应用中常见失效成因及改进方法

周克明，赵允亮，王振平（1.南京水利科学研究院，江苏南京，210029；2.南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；3.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏南京，210012；.辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳，110006；.宜兴市油车水库管理所，江苏宜兴，21200）



FBG传感器在岩土工程应用中常见失效成因及改进方法

周克明1.2.3，赵允亮4，王振平5
（1.南京水利科学研究院，江苏南京，210029；2.南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；3.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏南京，210012；4.辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳，110006；5.宜兴市油车水库管理所，江苏宜兴，214200）

FBG传感器在岩土工程中逐步应用，埋设仪器完好率是应用成功与否的重要考核指标之一。从FBG传感器原理、结构及埋设安装等出发，总结了在工程应用中的多种失效原因，并详细分析了典型的光纤夹持松弛时应变光栅波长的变化特点。提出了FBG传感器在尾缆的保护、传感器封装、老化删选等方面的一些建议，以提高埋设仪器完好率、实现监测目的。

FBG传感器；失效；波长；改进方法

0　前言

《大坝安全监测系统验收规范》中就安全监测系统分部工程质量验收标准这样规定：混凝土坝、土石坝埋入式不可更换仪器设施完好率分别在85%、80%以上为合格［1］，从规范的高度确认了监测仪器失效的客观存在。光纤光栅安全监测仪器在埋设以及运行过程中都可能失效，针对其失效原因及规律的分析，在各类文献中很少提及。

基于光纤光栅开发的主要产品有布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）、长周期光栅、啁啾光栅，其中FBG是最普遍的一种光纤光栅。近10年来，FBG传感器开始在大坝、隧洞等岩土工程的安全监测中逐步使用，其封装、解调技术得到快速发展。安装完成后的FBG传感器及引出尾缆长期处在潮湿、高压、震动以及复杂的化学环境中，部分传感器可能逐步失效。从光纤光栅传感器原理、结构、埋设安装等方面出发，分析了其失效的多种原因，列举了应力松弛而使传感器失效的典型变化规律，可供相关单位参考。

1　FBG传感器原理和结构

1.1原理

光纤光栅传感器的敏感部件是FBG，根据刻栅工艺及需求而异，其长度一般约1 cm［2］，可看作一个窄带反光镜。当波长为1 525～1 565 nm的C波段或波长为1 656～1 610 nm的L波段的光进入FBG时，会反射波长满足Bragg条件的光而透射其余波长的光，被反射的波长称为Bragg波长，式（1）为Bragg光栅满足的方程：

其中λB为反射波长；neff为光纤光栅的有效折射率，与光纤材质有关；Λ为光栅的栅距，即每个写入光栅之间的距离，也称光栅周期。当光栅周期发生变化时，反射波长λB会发生漂移；在光纤的弹性范围内，反射波长的漂移量△λB与应变呈线性相关，根据波长漂移量即可得到应变变化量。

1.2内部结构

FBG封装在传感器里面，同时受应变和温度的交叉作用，需要同步测量环境温度来消除温度影响。为扣除温度对应变波长的影响，一些厂家生产的传感器里面同时封装与主体同步变形的应变光栅和处于自由状态的温度光栅，分别用来测量应变和温度；有些厂家在应变传感器里面只设应变栅，另配光纤光栅温度计来达到同样目的。

裸光纤直径一般为8～10 um，主要成分是Si02，在没有保护层的情况下极易受损或被折断，给FBG传感器的研制带来困难。传感器内部结构如图1所示，主要包括应变FBG光栅、一对夹持部件及主体组成的应变传感组件，以及一个温度FBG。夹持部件为金属材料，与变形的主体焊接在一起。温度FBG处于自由状态，波长只受环境温度的影响；应变FBG同时受主体变形及环境温度影响，通过一定的换算扣除温度影响后就可以到主体应变量。

图1　光纤光栅钢筋计内部结构Fig.1 Internal structure of FBG extensometer

2　传感器失效测值表现及成因分析

差动电阻式、钢弦式等常规传感器都是单端引出5芯或4芯电缆。根据现场需要，FBG传感器可以定制一端或两端引出尾缆，任意一端可以单独接入解调仪测量。传感器两端出缆时，不同波长的传感器可以串联使用，形成准分布式测量系统。尾缆一般为单芯、直径φ3 mm或φ8 mm的铠装形式，环形钢圈将裸纤包裹在中间，避免裸纤受拉，同时有一定的转弯半径。

FBG传感器失效或异常的外因一般是引出尾缆断路，常见内因是FBG夹持力松弛。

2.1尾缆断路

当两端出缆的FBG传感器一端发生光纤断路时，断路侧尾缆接入解调仪后，测不到波峰，而另一端尾缆接入解调仪则能正常测量，且其波长与前期波长基本一致，此时观测数据能正常使用。当传感器引出尾缆转弯半径超过其允许值，光路中光损增大，可能导致该端测不到波长，此时应及时扩大尾缆转弯半径，恢复正常测量。传感器引出尾缆断路的原因归纳如下。

（1）粗放施工导致尾缆断路。性能良好的FBG传感器要通过完好的尾缆体现出来，引出尾缆的保护是保证埋设仪器完好率的一个重要环节。传感器在混凝土浇筑时安装埋设，其引出尾缆受施工现场钢筋焊接、混凝土浇筑、人员作业等各种因素的影响，混凝土振捣施工更可能造成尾缆断路，复杂的尾缆敷设路径增加了后期钻孔损伤的可能性。传感器埋设过程时，加强旁站检查、避免任意改变尾缆走向、套管保护等措施可以有效保护尾缆，提高仪器埋设完好率。

（2）接缝变形过大致使尾缆断路。传感器引出尾缆通常要一定的长度才能引到断面接头保护设备，尾缆线路上需要穿过坝段接缝时，需要用伸缩节型钢管保护，并使尾缆有一定的富余长度，避免接缝变形时拉断尾缆。

（3）化学侵蚀造成尾缆断路。光纤线路对绝缘无要求，传感器仍需密封设计。传感器内部金属结构需要防潮防锈，另一方面是FBG熔接点处需要防止腐蚀。大体积混凝土析出水有很强的碱性，pH值可以到12.5～13.5［3］，标准通讯石英玻璃光纤表面的聚酰胺脂涂层能防止因强碱腐蚀玻璃纤维而减弱光纤的化学耐久性［4］。光纤熔接加长尾缆时，需要剥去光纤表面涂层，熔接部位成为一个薄弱环节，成为容易发生光纤断路的部位，因此光纤光栅仪器的密封防水也非常重要。在传感器到分路器或测站之间的尾缆需要熔接时，熔接部位不仅要用热缩管、钢管保护，还要考虑密封保护。

（4）超量程引起光纤断路。裸光纤允许拉升为1%左右，拉到5%时将断裂［5］。光纤光栅应变计量程一般为±1 500微应变，整个量程内3 000微应变的变幅相当于光纤长度0.3%的变形量。当传感器承受拉应变过大，FBG受拉超过其允许应变时，光纤光栅就可能断裂。为使传感器有受压量程，在制程中有一个光纤光栅预拉的流程，使FBG处于张紧状态，以具备一定的受压量程，如此，光纤光栅抗拉能力将降低。

2.2FBG夹持松弛

FBG裸光纤为玻璃纤维，传感器变形主体为金属材料，需要将两者长期有效联接成一体，同步变形，FBG才能有效反映物理量变化，这是研制光纤光栅仪器的关键工艺。该工艺大致可以分为两类：一类是在裸光纤外套金属保护管，两者之间用环氧树脂或其他聚合材料可靠粘结［6］，保护管再与主体焊接；另一种是采用全金属化封装，即裸光纤外镀金属层［7］，再将金属镀层与主体激光焊接成整体。

以上两种封装方式，随着时间延长、环境震动、化学腐蚀等原因，FBG裸光纤与外套金属管或金属镀层之间可能失去整体性，激光焊接点也可能锈蚀脱落，都将导致FBG与主体脱开而不能同步变形，即光纤光栅夹持松弛。此时应变栅的波长表现为逐步变小且幅度逐渐变大直至突变。当外界物理量没有异常变化时，传感器应变光栅波长一般为pm级变化量，而短时间内发生nm级突变时，就可能是上述原因。

典型的FBG夹持松弛的监测成果如图2所示。某项目的一个光纤光栅钢筋计在2015年2月24日前的测值稳定期内，相邻测次间应变波长的变化量一般在0.01 nm左右。在相邻的2次测值，即2015年2月24日和2015年3月3日，应变波长测值为1 539.539 nm和1 537.540 nm，突变1.999 nm，且是波长变小。变化幅度为前期测值变幅的近200倍左右，明显异常，后期波长测值并未恢复到前期规律。在应变波长发生突变的同时，该钢筋计的温度波长只变化了0.001 nm，其变化规律完全与前期一致，表明应变波长的突变不是环境温度变化引起。相邻位置的钢筋计在同一时刻并没有发生类似的应变波长测值突变情况。检查该钢筋计厂家标定资料，其0～300 MPa量程范围内对应的应变波长为1 539.998～1 542.383 nm，突变后应变波长为1 537.540 nm左右，已经超过其量程下限，监测数据已不能真实反映钢筋应力。

图2　光纤光栅钢筋计应变波长、温度波长过程线Fig.2 Wavelength graph of strain and temperature measured by FBG extensometer

该钢筋计失效前2个月的监测数据如表1所示，从2015年1月27日开始，应变波长的测值逐步减小，且变化速率逐渐变大，失效前的最后两次测值时间内，日变幅为0.008 nm/d。在2015年2月24日与2015年3月3日之间，应变波长测值突变后仪器失效。钢筋计失效前2个月的监测数据过程线图如图3所示，从图中可以看出，钢筋计失效前的应变波长呈明显的趋势性变化，用三次多项式拟合，拟合方程见式（2）：

相关系数R=0.997，相关性非常好。

表1　钢筋计失效前观测数据统计表（单位：nm）Table 1 Statistics of the measured data before the invalidation of extensometer

钢筋计应变光栅失效后，可作为备用温度计使用。从光纤光栅仪器的内部结构看，当处于张紧状态的应变光栅发生夹持松弛后，即处于不与主体同步变形的自由状态，应变栅与温度光栅处于同一环境下，两者波长变化只受温度影响。从钢筋计失效后的观测数据看，应变波长变化规律与该仪器的温度波长类似。钢筋计失效后应变波长与温度波长过程线如图4所示，可以看出两者的一致性很好。

钢筋计失效前、后应变波长与温度波长测值过程线的相关图如图5、图6所示，两者相关系数分别为0.84和0.99。钢筋计失效前，应变波长与温度波长之间的相关性一般，应变光栅受应变和温度同时作用，主要受温度变形的影响；钢筋计失效后，应变波长基本不受应变的影响，只受温度的影响，应变波长与温度波长相关性非常一致，此时钢筋计的应变栅可以作为备用温度计使用。

图3　钢筋计失效前应变波长、温度波长过程线Fig.3 Wavelength of strain and temperature before the invalidation of extensometer

3　改进建议

（1）传感器尽量采用双端出缆。双端出缆可以串联不同波长的多个传感器，形成分布式测量系统，减少解调仪的通道数量。另一方面，传感器一端尾缆异常后，另一端的尾缆仍可以正常工作，可提高埋设仪器完好率。

图4　钢筋计失效后应变波长、温度波长过程线Fig.4 Wavelength of strain and temperature after the invalidation of extensometer

图5　钢筋计失效前应变波长、温度波长相关图Fig.5 Relation between wavelength of strain and wavelength of temperature before the invalidation of extensometer

（2）进一步测试各种封装工艺，并加强老化筛选。FBG与传感器主体之间的有效联接是确保监测数据有效的关键，不论全金属化封装还是用各种聚合物粘结，都有可能发生应力松弛而联接失效，导致传感器失效。从工程现场的经验来看，建议光纤光栅传感器应进行半年左右的老化筛选。

图6　钢筋计失效后应变波长、温度波长相关图Fig.6 Relation between wavelength of strain and wavelength of temperature after the invalidation of extensometer

（3）在传感器内部设一个备份应变光栅。根据工程使用经验看，失效的光纤光栅仪器有少量是因为内部封装、焊接或装配出现问题。在重要监测部位的监测仪器内部设两个应变光栅，当一个光栅失效时，可以用另一个光栅的监测资料，取得有效的监测数据，提高埋设仪器的完好率。实践表明，这种方式是可行的，缺点是FBG传感器内部光纤路径在小空间内多次改变，容易增加光损，将减少一条光路上可串联的传感器数量，增加了传感器装配难度。

4　结语

从光纤光栅仪器在岩土工程中的应用看，提高其完好率的方法与常规电式岩土工程仪器有类似的地方，如传感器引出尾缆的保护、光缆熔接的密封、穿过接缝的方式。光纤光栅仪器采用两端出缆，内部设备用应变栅等可以适当提高埋设仪器完好率。当FBG与变形主体之间发生应力松弛而逐步脱开时，其应变波长呈指数变化，幅度越来越大，直至大幅度突变而失效。这种情况可能发生在装配完成半年左右，传感器的老化筛选能及时发现该问题。发生这类传感器失效情况，应变栅仍可以作为温度计使用。

［1］GB/T 22385-2008，大坝安全监测系统验收规范［S］.

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［3］顾双鸣，刘占龙.水下混凝土中钢筋锈蚀原因分析［J］.黑龙江水利科技，2008，36：186.

［4］吴永红.光纤光栅水工渗压传感器封装的结构分析与试验［D］.成都：四川大学，2005：9-10.

［5］范典.光纤光栅金属化封装及传感特性试验研究［J］.传感器技术学报，2006，19（4）：1234-1237.

［6］周红，乔学光，王洪亮，等.nmSiO2对聚合物光纤光栅封装材料的改性研究［J］.光子学报，2005，34（9），1332-1335.

［7］李小甫，姜德生，余海湖，等.石英光纤表面化学镀镍磷合金工艺［J］.化工学报，2005，56（1）：126-129.

FBG sensor is used in geotechnical engineering gradually.Success rate of embedded instrument is an important indicator for successful application.Based on the principle，structure，installation and embedment of FBG sensor，this paper summarized multiple failure causes in engineering application and studied the typical characteristics of wavelength changing when FBG relaxed.In order to enhance the success rate of embedded instrument and to realize monitoring purposes，the paper put forward some advices on the protection of optical fiber cable，sensor package，aging screening，etc.，for reference.

FBG sensor；invalidation；wavelength；improvement method

TP212

A

1671-1092（2016）02-0006-05

2015-07-30

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金：Y915010

周克明（1971-），男，江苏宜兴人，高级工程师，硕士，任工程安全监测研究室副主任，从事工程安全监测自动化系统的设计、施工、监测资料分析等工作与研究。

作者邮箱：382842629@qq.com

Title：Reasons for invalidation of FBG sensor applied in geotechnical engineering and improvement method//by ZHOU Ke-ming，ZHAO Yun-liang and WANG Zhen-ping//Nanjing Hydraulic Research Institute