一种基于法布里—珀罗原理的测缝计在坝体监测中的应用

陈 静，向芸芸，赵 刚，马 畅，王一燚

（新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆维吾尔自治区阜康市 831500）

0 引言

坝体的结构健康监测在水电站的安全运行中具有重要作用，而不同坝段间的横缝监测也是保证坝体安全运行的重要指标。在实际工程中，水电站的观测中心需要对坝体的横缝的水平错动、垂直错动和开合度进行实时监测。

某北方水电站位于寒冷地区，为大型水利工程，主要任务是防洪、灌溉和发电。为了保证水电站的安全运行[1]，在实际工程中，大坝安全监察中心需要对坝体进行定期检查[2]，横缝的观测是坝体监测中重要的一项。原有的横缝观测大多使用振弦式测缝计[3-5]，除此之外，还有基于激光测距和LVDT 原理的测缝计[6-8]和用于横缝测量的光纤布拉格光栅测缝计[9-11]。振弦式测缝计在振动环境下会发生零漂，布拉格光栅测缝计的缺点是精度低、有零漂，所以需要一种高精度无零漂的测缝计对坝体的横缝进行测量。本文采用基于光纤法布里—珀罗干涉原理的高精度测缝计，对相邻坝段间的横缝的水平错动、垂直错动和开合度进行高精度自动化测量，传感器由齿轮齿条和螺旋面构成，可对横缝进行直接测量，无需将缝宽换算成应变再通过应变的变化率来确定缝宽。具有直接测量、无零漂、高精度等优点。本文通过对拱坝第五层廊道某横缝的水平错动、垂直错动和开合度进行实时监测，验证传感器的工作性能。

1 传感器原理

传感器采用光纤法布里—珀罗干涉原理，如图1所示。该传感器为最新研制，因此在国内外是首次使用。基于法布里—珀罗干涉原理的传感器内部的光学器件共有两个反射点，一个是光纤端面，另一个是人为放置的反射镜，通过移动反射镜来改变两个反射点之间的干涉腔长，测出的干涉谱如图2所示，对测量的光谱按照公式（1）进行计算，即可算出干涉腔长d，精度高达nm 数量级。

图1 光纤法布里—珀罗干涉原理示意图Figure 1 Schematic drawing of the principle of optical fiber Fabry-Perot interference

图2 法布里—珀罗干涉谱图Figure 2 Fabry-Perot interference spectra

其中，λ1和λ2是图2所示的光谱图中，两个相邻波谷对应的波长。

图3 为测缝计的结构示意图。位移（缝宽）变化带动探杆发生移动，探杆的右端固定有齿条，齿条移动带着齿轮发生转动；齿轮的转轴固定在传感器的外壳上，齿轮零件的顶部有一个螺旋面；螺旋面的轴线和齿轮同轴，螺旋面和齿轮是一个零件上的两个不同部分，螺旋面顶面是第二反射点；光纤端面为第一反射点，光纤端面对着螺旋面，两个面保持平行；当齿轮带动螺旋面发生转动时，光纤到螺旋面之间的距离会发生改变，即干涉腔长发生变化。对传感器进行标定，将位移传感器安装到位移台上，通过光栅尺读取实际位移，从0mm 开始，每次增加2mm，直到最大位移20mm，共11 个测点，标定干涉腔长与位移之间的关系。干涉腔长与位移之间的关系如图4所示，位移变化20mm 时，螺旋面旋转340°，两个反射点之间的距离变化量，即腔长变化量为0.712mm。所以，位移w与腔长变化量Δd之间的关系如式（2）所示，通过测量腔长变化量Δd，即可确定位移量w的大小。

图3 测缝计的结构示意图Figure 3 Schematic diagram of the crack gauge structure

图4 干涉腔长与位移之间的关系图Figure 4 The relationship between the length of the interference cavity length and the displacement

传统的振弦式传感器是通过振弦的张紧程度改变自振频率来测量，光纤光栅传感器是基于光纤的应变来测量，两者都是通过测算材料变形，再通过弹簧等机械结构将应变量换算成位移量，该换算过程降低了传感器的精度，而且温度影响大，1℃可以对位移产生0.3% F.S.的影响，进一步降低了传感器的精度。而基于该齿轮结构的光纤法布里—珀罗测缝计可以直接超高精度测量两个反射点之间的距离，而且所有零部件均为机械零件，没有材料往复变形产生的非线性和疲劳问题。从图4 的标定结果中可以看出，通过齿轮结构将20mm的位移线性折减为0.712mm，线性度极高，R-Square高达0.998，几乎为完全线性，没有基于材料变形带来的非线性问题。通过温度标定试验，证实了传感器的温度灵敏度极低，1℃仅对位移产生0.015% F.S.的影响，大幅降低了温度影响，提高了传感器的精度和寿命。通过灵敏度试验，将传感器置于恒温箱内，温度为20℃，对传感器连续测量1000 次位移数据，测出的位移波动量仅为±0.1μm。从制作成本分析，该传感器没有类似于振弦等对加工精度或材料性能要求极高的敏感元器件，传感器的所有零件均为常规的不锈钢机械零件和齿轮零件，是一个纯机械式不含电路和敏感元器件的传感器，因此传感器的成本要低于振弦式传感器和光纤光栅传感器，并且防震性能和耐久性均优于振弦式传感器和光纤光栅传感器。从韧性方面分析，通过跌落试验，将传感器从1m 高度连续跌落三次，传感器光谱良好，而且初始位移变化量在±2μm 范围内，说明传感器没有发生任何实质性破坏，而且没有产生零漂。

2 安全监测系统

本文的研究对象是已处于运行状态的水电站坝体上的横缝，横缝宽度测量的现场实施技术路线如图5所示，先在工厂生产测缝计并对传感器进行标定，包括温度补偿；再去现场选取测点，即测缝计的安装点；具体安装时，首先对墙壁上测缝计的安装点清除碳酸钙并打磨平整，再在横缝两端分别钻孔，通过钉入螺栓固定测缝计的底座和挡板的支座，然后在测缝计底座上安装X、Y、Z三个方向的三支测缝计；需要注意的是，安装测缝计以后，其探杆顶在挡板上，要调节测缝计的安装位置，使得安装后对应的位移量约为10mm，这样测缝计就有了±10mm 的量程。安装测缝计后，对测缝计进行初步测试，确保安装后的测缝计正常工作；再将连接测缝计上的传输光缆连接到光谱分析仪，实现对光谱的自动采集功能；采集到的光谱通过网线传输到计算机并通过软件对光谱进行解调分析，得到法布里—珀罗干涉腔长，再通过式（2）计算出位移（横缝的水平错动、垂直错动和开合度）；最后通过测试结果对横缝进行实时分析，如果位移变化量超过设置的阈值，软件会自动报警，及时地反馈坝体安全程度。

图5 测缝计的现场实施技术路线图Figure 5 Implement technical routes on site of the crack gauge

3 观测数据结果和分析

由于水电站横缝参数的变化具有周期性，周期为一年，所以本试验为了验证光纤法布里—珀罗测缝计的工作性能，选用一年的监测数据作为研究周期。并与用于该工程的振弦式测缝计测量结果进行比对。选择7 号坝段405m 高程的横缝作为研究对象。测点处的三支光纤法布里—珀罗测缝计和三向挡板安装在横缝的两端：安装测缝计的一端固定有一个支架，支架上按照X、Y、Z三个方向各安装一支测缝计；另一端安装有三个方向的挡板，三支测缝计的探杆分别顶在三个挡板上。这样，横缝的水平错动、垂直错动和开合度均可测量。图6 为横缝的水平错动、垂直错动和开合度变化过程线与温度和水位之间的关系，为了方便比对，黑线为法布里—珀罗测缝计的观测结果，红线为振弦式测缝计的观测结果，观测周期为一年，观测时间从2019年3月至2020年3月。

图6 两种测缝计测量的横缝开合度、水平错动和垂直错动变化过程线与温度和水位之间的关系曲线图Figure 6 The relationship between the horizontal dislocation、vertical dislocation、open and close degree change process line of transverse cracks and temperature and water level of two types of crack gauges

如图6所示，通过光纤法布里—珀罗测缝计和振弦式测缝计观测的横缝水平错动、垂直错动和开合度三个参数随着温度和水位的变化过程线，可以看出，对于光纤法布里—珀罗测缝计和振弦式测缝计，两者观测结果的趋势大体相同，在一年的测量周期中，三个参数的变化均具有周期性，而且变化的幅度相近，都在-0.6～ -1.1mm 之间。位移以拉伸测缝计探杆（开合度变大）为正，可见从3月开始测量，随着天气变热，横缝的开合度逐渐减小，9月以后，随着天气变冷，开合度逐渐增大，这主要是由坝体混凝土的热胀冷缩引起的；水平错动和垂直错动也同样具有周期性，在春季和秋季温度变化快的季节，这两个参数也变化快，在夏季和冬季温度变化慢的季节，这两个参数也变化慢，符合季节变化规律。可见，水平错动、垂直错动和开合度三个参数均具有周期性，而且与温度和水位的变化速度有一定的相关性。同时验证了使用光纤法布里—珀罗测缝计，可以实现对横缝水平错动、垂直错动和开合度的高精度自动化测量。关于两种原理测缝计观测结果的差异，主要是因为测量位置不完全重合，观测的横缝在三个方向上的实际变化幅度有一定差异。

4 结论

通过高精度光纤法布里—珀罗干涉原理的测缝计在坝体监测中的应用，可以得出以下结论：

（1）基于法布里—珀罗干涉原理的测缝计具有极高的精度，在同一测点的三个方向安装，可以实现对横缝的水平错动、垂直错动和开合度的高精度自动化测量。

（2）高精度、无零漂。法布里—珀罗干涉腔的测量精度可达到nm 级，位移的分辨率也可以达到0.1μm 数量级，而且整个测缝计的组件中没有基于应变的换算结构，所以没有疲劳和零漂的问题。传感器的寿命也超过现有的电学传感器。

（3）自动化测量。通过光谱分析仪采集光谱，再通过软件对光谱进行实时分析，可以实现对横缝水平错动、垂直错动和开合度的自动化测量，并具有预警功能。

（4）抗电磁干扰、防雷击。传感器采用光纤作为传输介质，电磁干扰和雷击对光谱完全没有影响，而且光纤是绝缘体，雷击对传输光缆也不会构成破坏。

（5）横缝的水平错动、垂直错动和开合度变化均具有周期性，而且变化的幅度相近，都在-0.6～-1.1mm 之间，坝体的横缝宽度变化量在安全范围内。

综上所述，本文所讲述的基于光纤法布里—珀罗干涉原理的高精度测缝计，可以对横缝的水平错动、垂直错动和开合度实现高精度的自动化监测，且具有直接测量、无零漂、精度高、成本低、寿命长、自动化测量、温度灵敏度低、抗电磁干扰和防雷击等优点。通过与振弦式测缝计的观测结果对比，证实光纤法布里—珀罗测缝计可以有效地对坝体横缝进行实时自动化测量，为水电站的安全运行提供可靠保障。除水电站之外，该测缝计还适用于岩石裂缝、滑坡裂缝和桥梁隧道裂缝等其他工程领域的测量，具有很好的推广价值。