FBG传感器在排水管道水位实时监测中的应用

河北镜圆科技有限公司 丁志国 龚占龙 盛智勇

光纤光栅传感器是性能优良的光器件传感器，包括FBG、取样光纤光栅等，FBG是传感领域运用最广泛的传感器 ，传感器体积小，在特殊的工业中具有重要作用。如桥梁土木工程疲劳损耗检测等。排水管道检测的可靠性非常关键，传统电子传感器无法在恶劣环境下作业，光纤传感器具有承受极端条件等优点 ，可实现远距离监测，可测得几十公里的信息。排水管道储存泄露如不能及时发现处理会造成环境污染 ，需要有安全可靠的检测系统 。常用的电传感器不适用于排水管道水位实时监测 。FBG传感器传感信号通过光纤实现，分布式FBG传感技术在长距离管道水位监测方面具有独特优势，可以形成光纤光栅阵列，通过观测各点反射光中心波长漂移量判断是否存在泄露。

1 城市排水管道监测概述

城市排水管道用于城市雨污水传输排放处理 ， 内设专门监测系统 ，配备智能监测设备，可随时监测管道水位 。排水管道系统由附属系统与控制中心组成 ，管道本体包括标准段预制拼装 ，管线分支口等，附属系统包括监控报警系统等。根据容纳管线不同分为干线型 、支线型等形式。 干线型设于城市主干道下 ，支线管道用于干线管道同用户建立联系， 包括直接服务于用户的管线[1]。根据截面形式分为圆形、矩形与拱形截面等形式。

地下排水管道建设有利于城市雨污水处理，美化城市环境 ，促进城市现代化建设。随着城市化的发展，地下排水管道规模不断扩大 ，其结构具有长期效益高 ，地下防水等级高 ，保准体系不成熟等特点[2]。地下排水管道建设前期结构设计施工需要大量的资金 ，集约了多种生活资源 ，是公益性市政基础设施项目 ，需要有较高的地下防水等级。国内地下排水管道建设较晚，急需统一的设计标准。城市排水管道敷设于地下，周围建筑物等会对结构产生影响 。地下排水管道长度较大，结构复杂 ，受到周围基坑等多种因素影响， 实际运营中易出现不均匀沉降 ，水平错动等病害，导致管道出现变形 ，拼接缝处水位发生变化 ，对管道水位进行实时监测非常必要。

城市地下排水管道服役中会产生不均匀沉降等变形 ， 对管道接缝处纵横向水平位移监测主要方法包括分布式光纤监测 ，电类位移监测法等 。分布式光纤水平位移监测方法具有较高精度 ，但需将光纤与结构紧密贴合实现结构位移监测 ，传感器寿命与光纤同结构粘结剂有关。电类传感器件无法串联，地下管道所处环境潮湿，传感器需耗费大量电缆，电类位移监测成本较高[3]。FBG为准分布式传感器 ，具有精度高、长期稳定性好等特点，对地下排水管道监测所需成本低，排水管道通常选用光纤光栅传感器。

2 地下排水管道FBG传感器设计

光纤把电磁波能量以全反射约束在截面内，光纤基本结构是两层圆柱状媒介，纤芯折射率n1比包层折射率n2大，光波能沿纤芯向前传播，光纤保护层用于保护光纤避免受环境污染。光纤传感技术原理是将光波通过入射光纤传输到传感器件，光波经输出光纤传输到光电转换部分。70年代出现光纤传感器，系统由信号传输线、光电转换等组成。分布式光纤传感器元件为光纤，系统测量精度与空间分辨力存在制约关系。光纤布拉格光栅封装工艺如图1.

图1FBG传感器头封装示意图

FBG是纤芯具有折射率周期变化的光纤，光纤类传感器特点体现在体积小、抗电磁干扰，耐腐蚀等。传感用光纤为单模光纤，传感器对结构影响小；光纤中信号以光波形式传递，主要成分是二氧化硅，不与酸发生反应；多模光纤传输距离275-1000m,传统光电传感器漫反射感应距离30-50cm，对射式感应距离较长【4】。分布式测量，可进行容量信息传输。在结构健康检测中发挥重要作用。FBG利用光纤光敏性，使纤芯轴向折射率产生永久性周期变化制成，制作光栅方法有逐点写入法、相位掩模法等。光纤传感系统由传感器件、信号传输线等组成，如图2所示。

图2光纤传感系统图

目前常用的位移传感器有机械式与光电式等方法 ， 机械式速度慢，电磁式易受到电磁干扰；光电式传感器包括光栅式、激光式等。激光式受光的直线传播限制，FBG具有结构简单 、重量轻、灵敏度高等特点。实际工程中环境恶劣，为使FBG位移传感器适用于工程应用，设计应满足耐久性、稳定性等要求 。FBG拉杆位移传感器由传感元件、楔形滑块等构件组成，在FBG位移传感器封装套盒内部，等强度悬梁壁为FBG基底材料，悬梁壁固定端固定于左端支座。悬梁壁与传感元件采用螺栓连接，减少随时间增长带来应变传递损失。传感器拉杆采用无弹簧工作机制，位移传感器拉杆受外界位移变化，拉杆带动楔形滑块产生移动。

3 FBG位移传感器在排水管道水位监测的应用

某市洞壁新城排水管道以核心区为主，分布在国际金融中心、各大银行及市政府等区域，公用管线多，管道安全运营对核心区政治文化建设起到基础性作用。排水管道人民路段位于地铁沿线，轨道施工对土体扰动较大。对管道位置造成影响，需要对管道进行变形监测，5号线车站施工影响范围内有管道500m,管道埋深约0.8～2m,侧板壁厚为30cm。本路段管道地质环境复杂，软土力学性质差，管道易发生变形，由于所处地下水位较高，拼接缝处病害会引起结构渗漏水现象，导致管道应力过大破坏。

通过在线监测系统实时监测排水管道水位，了解管道变形发展情况，避免出现重大安全事故，确保既有管道运营安全。监测系统检测内容包括拼接缝处轴向水平位移监测，倾斜检测等。对地下管道专项监测依据工程测量规范等文件设计监测方案 。管道轴向水平位移采用FBG拉杆式传感器，管道横向水平位移采用FBG梁式位移传感器。地下排水管道线路长，易受到外部多种因素影响，管段轴向方向相对位移易于监测，在拼接缝处布置FBG位移传感器检测轴向位移，位移转接板固定在右侧混凝土墙壁，测量转接板与左侧管廊相对距离，位移传感器安装在水仓外侧墙壁，下放预留空间为后期安装管道。

根据建筑变形测量规范确定管道结构变形观测精度等级为二级，监测系统沉降监测采用静力水准测量，坐标中误差为点位误差的1倍。国内对地下排水管道变形规范未给出详细介绍，需要结合其他规范设定系统预警值，某个监测量值超过警戒值应及时报警，必要时对警戒值进行调整[5]。工程测量规范未明确规定预警值，根据规范变形在允许值范围内，变形预警值确定通过取对应变形允许值的60%，在建筑基坑工程监测技术规范中对不同等级基坑监测项目给出取值范围，结合专家意见位移严禁值参考规范中压力管线位移报警值。

通过分析地下排水管道水平方向裂缝，各测点水平位移未超过预警值，传感器工作中拼缝处裂缝缩小，测点5处纵向位移最大为 -9.253mm，其余测点纵向累计位移变化在 ±6mm，北路段管道测点纵向位移变化绝对值最大15.22mm，位移变化小于预警值。管道结构纵向长度大于横向导致裂缝发生变化，管道呈现两侧位移变化突出，这可能与附近在建地铁施工有关。南北路段管道位移变化速率在0.8以内，最大值为测点3处纵向位移变化速率0.7698，表明各测点横向位移变化波动性较小。后期监测中周围环境有突加荷载作用应及时查看传感器测量结果，北段路口地铁站施工附近周围环境复杂，两方向水平位移值较大。

4 结语

本文基于FBG位移传感器在排水管道水位监测中的应用进行研究，开发拉杆式FBG位传感器，消除弹簧蠕变对稳定性的影响。 分析传感器位移传感器原理，对传感器性能进行验证 ，传感器上下包络线保持良好一致性，传感器性能保持良好。对某市地下排水管道工程项目分析表明附近地铁施工对管道不均匀沉降影响较大，检测项目在预警值以下。 随着社会的发展，排水管道应用受到人们关注 ，针对排水管道监测需根据其他相关规范设定系统预警值 ，利用光纤光栅进行管道监测 ，保证结构安全运行。