長大隧道工程中光纖光柵儀器信號傳輸試驗研究

郜 強，張心怡

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003；2.太原理工大學，山西太原030024）

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長大隧道工程中光纖光柵儀器信號傳輸試驗研究

郜 強1，張心怡2

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003；2.太原理工大學，山西太原030024）

摘要：遼寧省某大型輸水工程隧洞安全監(jiān)測采用光纖方式傳輸監(jiān)測信號，襯砌應力應變監(jiān)測儀器采用串聯(lián)方式接入主光纜，外水壓監(jiān)測儀器采用耦合方式接入主光纜，水位監(jiān)測儀器采用并聯(lián)方式接入主光纜。試驗方法采用主光纜衰減測試、傳感器串聯(lián)光纖通道總衰減測試和傳感器耦合光纖通道總衰減測試，從而為光纖光柵信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性研究提供了有力的依據(jù)。本次試驗選用國內(nèi)知名廠家的設備進行檢測，以確定安全檢測的選材范圍。

關鍵詞：水工隧洞；襯砌裂縫；安全監(jiān)測

長大隧道引水工程的隧洞施工安全決定了整個工程是否能夠順利施工及后期的穩(wěn)定運行，而隧洞安全監(jiān)測能夠及早地發(fā)現(xiàn)及解決存在的隱患，為工程順利施工及運行起到了決定性作用。

遼寧省某大型輸水工程隧洞安全監(jiān)測采用光纖方式傳輸監(jiān)測信號，襯砌應力應變監(jiān)測儀器采用串聯(lián)方式接入主光纜，外水壓監(jiān)測儀器采用耦合方式接入主光纜，水位監(jiān)測儀器采用并聯(lián)方式接入主光纜。光信號在采用串聯(lián)或耦合方式連接的傳感器中傳輸時產(chǎn)生損耗，尤其是長達十幾公里的信號傳輸，光纖通道總衰減能否符合光纖光柵解調(diào)儀信號強度和穩(wěn)定性的要求，需要通過試驗確定。試驗前需對儀器進行二次率定。

1　試驗目的

（1）確定8芯、12芯和24芯主光纜各芯線衰減常數(shù)是否滿足規(guī)范要求，1550nm波長最大衰減應≦0.22dB/km。

（2）確定設計最多光纖光柵監(jiān)測儀器串聯(lián)后，光纖通道總衰減符合光纖光柵解調(diào)儀信號強度和穩(wěn)定性要求：功率衰減范圍-10～-60dB，功率衰減越小，信號越穩(wěn)定。

（3）確定設計最多光纖光柵監(jiān)測儀器耦合后，光纖通道總衰減符合光纖光柵解調(diào)儀信號強度和穩(wěn)定性要求：功率衰減范圍-10～-60dB，功率衰減越小，信號越穩(wěn)定。

本試驗涉及到的儀器和設備見表1。

表1　光纖光柵儀器信號傳輸試驗儀器和設備

2　試驗方法和步驟

2.1 主光纜衰減測試

為配合本次光纖傳輸衰減試驗，共采購8芯、12芯和24芯主光纜各20km，每類光纜7盤。抽檢8芯光纜5盤、12芯光纜2盤以及24芯光纜3盤，測試工具為OTDR光纖測試儀，測試波長為1550nm，檢測每根芯線的衰減系數(shù)。

2.2 傳感器串聯(lián)光纖通道總衰減

選擇監(jiān)測斷面內(nèi)傳感器串聯(lián)數(shù)量最多的一組做試驗。根據(jù)設計圖紙，光纖光柵傳感器串聯(lián)量最大的斷面為鋼筋計2支、應變計2支以及無應力計1支，用于監(jiān)測襯砌混凝土應力應變，鋼筋計和應變計均為兩端出纖。

（1）分別記錄各光纖光柵傳感器串聯(lián)前兩端測得的波長和衰減功率。

（2）將傳感器串聯(lián)，分別記錄各光纖光柵傳感器串聯(lián)后兩端測得的波長和衰減功率，確定傳感器串聯(lián)后衰減是否滿足解調(diào)儀信號采集強度和穩(wěn)定性要求。

2.3 傳感器耦合光纖通道總衰減

選擇監(jiān)測斷面內(nèi)傳感器耦合數(shù)量最多的一組做試驗。根據(jù)設計圖紙，光纖光柵傳感器耦合量最大的斷面為5支滲壓計，用于監(jiān)測外水壓。本試驗選擇廠家1的2分6耦合器。

（1）記錄各光纖光柵傳感器耦合前波長和衰減功率，確定傳感器串聯(lián)后衰減是否滿足解調(diào)儀信號采集強度和穩(wěn)定性要求。

（2）傳感器耦合。傳感器與耦合器采用熔接方式連接，本試驗為模擬最差工況，傳感器與耦合器采用法蘭盤連接（法蘭盤連接存在接頭污染、接觸不良等問題，一般損耗在2dB左右）。記錄各光纖光柵傳感器耦合后，耦合器兩端測得的波長和衰減功率，確定傳感器串聯(lián)后是否滿足解調(diào)儀信號采集強度和穩(wěn)定性要求。

3　試驗數(shù)據(jù)處理

3.1 主光纜衰減測試

從測試數(shù)據(jù)來看，8芯光纜各芯線衰減系數(shù)最大值為0.187dB/km，12芯光纜各芯線衰減系數(shù)最大值為0.184dB/km，24芯光纜各芯線衰減系數(shù)最大值為0.187dB/km。

3.2 傳感器串聯(lián)衰減

傳感器串聯(lián)采用熔接方式，每個熔接點損耗控制在0.01dB以內(nèi)（熔接機可以直接顯示熔接損耗），不合格的重新熔接。從傳感器串聯(lián)前A、B方向波長和功率對比來看，波長和功率均無明顯變化（受擺放位置受力不均以及與解調(diào)儀連接接觸影響，波長和功率有微小差別），功率在-10dB左右，損耗較小。

傳感器串聯(lián)后，從兩個出纖端分別測量各傳感器的波長和功率。從數(shù)據(jù)來看，波長無明顯變化；功率受光信號傳輸順序影響，呈明顯梯度變化，A方向各傳感器功率從-9.45～-12.08dB，B方向各傳感器功率從-9.96～-12.44dB。光信號從解調(diào)儀發(fā)出，在經(jīng)過傳感器時發(fā)生損耗，以最后一支傳感器分析，光信號傳輸經(jīng)過四支傳感器到達第五支傳感器，經(jīng)反射回到解調(diào)儀，反射過程又經(jīng)過四支傳感器。從本次試驗數(shù)據(jù)可知，光信號在傳感器中傳播，經(jīng)過八支傳感器功率損耗在2dB～3dB之間，傳感器造成的光損耗較小。五支傳感器串聯(lián)后通道最大衰減在-12dB左右，完全可以滿足解調(diào)儀對信號強度和穩(wěn)定性的要求。

3.3 傳感器并聯(lián)耦合衰減

實際施工中，光纖滲壓計通過熔接方式與耦合器連接，本次試驗模擬最不利工況，光纖滲壓計通過法蘭盤與耦合器連接。光纖滲壓計為單端出纖，通過2分6耦合器可實現(xiàn)兩端出纖。光纖滲壓計通過兩個波長計算滲壓值。

從試驗數(shù)據(jù)來看，滲壓計在耦合前功率損耗在-8.13～13.45dB，與鋼筋計和應變計等光纖傳感器自身損耗相近。從本次試驗的三類光纖傳感器試驗數(shù)據(jù)來看，廠家1生產(chǎn)的光纖光柵鋼筋計、滲壓計和應變計自身對光的損耗在-10dB左右。

從耦合后的各傳感器功率損耗來看，A向各傳感器功率在-20.08～-29.36dB之間，B向各傳感器功率在-17.34～-33.35dB之間，各傳感器間功率損耗差異主要是由于法蘭盤接觸造成。試驗最不利工況下，耦合器最大損耗為-33.35dB，與解調(diào)儀最低背景值-60dB仍有27dB左右的峰值差，完全滿足解調(diào)儀對信號強度和穩(wěn)定性的要求。

傳感器并聯(lián)耦合后最小損耗是-17.34dB，說明耦合器自身損耗可以控制在-10dB范圍內(nèi)，加上傳感器自身損耗-10dB，通道總衰減可以控制在-20dB以內(nèi)。

4　結(jié)語

（1）廠家3生產(chǎn)的8芯、12芯和24芯主光纜各芯線衰減系數(shù)均小于0.187dB/km，小于規(guī)范要求的0.22dB/km，滿足要求。

（2）廠家1生產(chǎn)的光纖光柵傳感器自身對光信號的損耗在-10dB左右，最大數(shù)量的傳感器串聯(lián)后，通道光信號最大損耗為-12.44dB，滿足解調(diào)儀對光信號強度和穩(wěn)定性的要求。

（3）廠家1生產(chǎn)的2分6耦合器自身對光信號的損耗在-10dB左右，最不利工況

下最大數(shù)量的傳感器耦合后，通道光信號最大損耗為-33.35dB，滿足解調(diào)儀對光信號強度和穩(wěn)定性的要求。

（4）光纜衰減系數(shù)按照0.22dB/km計算，最長主光纜15km，光信號損耗為3.3dB；熔接點損耗0.01dB/個，按照20個熔接點計算，熔接損耗0.2dB；最不利工況總通道最大損耗-36.85dB，滿足解調(diào)儀對光信號強度和穩(wěn)定性的要求。

參考文獻

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［4］于會泉.水利工程施工與管理.［Z］.中國水利水電出版社，2005.

作者簡介：郜 強（1987年—），男，助理工程師。

收稿日期：2016-01-05

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.027

中圖分類號：TN913

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0073-02