光纖光柵傳感器在長距離有壓引水隧洞中的應(yīng)用

游 艇，劉 韜，孫 強(qiáng)

（1.遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽 110006；2.遼寧省大伙房水庫輸水建設(shè)局調(diào)度信息處，遼寧沈陽 110006）

0 引言

某在建長距離有壓引水隧洞工程，壓力約0.7 MPa，沿途穿越地形地質(zhì)條件復(fù)雜，有溝谷、河流、斷層等。根據(jù)規(guī)范要求和工程需要，在某些較大斷層、溝谷淺埋段、外水壓力較大洞段等可能影響工程安全的部位，布置監(jiān)測儀器進(jìn)行監(jiān)測[1]，但由于振弦式等傳統(tǒng)儀器監(jiān)測信號傳輸距離較短，無法滿足某些監(jiān)測斷面信號傳輸要求，而光纖光柵傳感器具有：1）光纖損耗小、傳輸距離遠(yuǎn)；2）天然抗電磁干擾能力強(qiáng)；3）良好的抗老化耐腐蝕性能；4）動態(tài)響應(yīng)快；5）可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2～4]。目前已廣泛應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、交通工程、石油化工、采礦工程等領(lǐng)域[5]。根據(jù)光纖光柵傳感器以上特點(diǎn)，工程選擇光纖光柵傳感器作為安全監(jiān)測儀器。

1 傳感器原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 光纖光柵傳感器原理

光纖光柵為光纖光柵式傳感器的敏感部件。光纖光柵是通過紫外線照射光纖中的一小段光纖，導(dǎo)致纖芯折射率發(fā)生變化而制成的一種光纖無源器件[6]，光柵可以反射特定波長的光波，或者濾除特定波長的透射光[2]。光纖光柵分為短周期光柵（FBG）和長周期光柵（LPG）[5]，工程傳感器光柵類型為短周期光柵（FBG），也稱為布拉格（Bragg）光柵。

根據(jù)模耦合理論，光柵反射波長滿足的Bragg方程見公式（1）[2]：

式中：λB為光纖光柵的中心波長，nm；Λ為光柵周期或柵距，nm；neff為纖芯的有效折射率。

當(dāng)環(huán)境溫度或光纖光柵所受應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，Λ和neff均產(chǎn)生變化，反射波長λB就會產(chǎn)生漂移，通過檢測波長變化，可實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變等外界物理量變化[7]。……