光纖測量傳感器技術(shù)在敦化電站的研究與應(yīng)用

解永澤 劉文禮

(吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700)

1 概述

近年來，山體滑坡頻繁發(fā)生，不僅造成了一定程度的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，在大型水電建設(shè)施工期的邊坡崩塌或滑坡對建設(shè)項(xiàng)目的進(jìn)程和安全生產(chǎn)也構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，也對道路交通造成了嚴(yán)重的威脅。目前較成熟的山體滑坡檢測技術(shù)包括環(huán)境監(jiān)測，邊坡形變監(jiān)測和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測幾方面。到目前為止，這些檢測方法普遍采用常規(guī)的電子學(xué)或機(jī)械傳感/探測儀器，檢測方法普遍存在易受天氣狀況影響、抗電磁干擾能力差、靈敏度低、可靠性不高、遠(yuǎn)距離遙測能力差、傳感器鋪設(shè)施工困難等缺點(diǎn)。針對邊坡監(jiān)測目前存在的諸多技術(shù)問題，本文提出了一種用來監(jiān)測邊坡滑移的基于光纖位移傳感器、光纖測縫計(jì)、光纖外置傾斜儀。

2 光纖傳感器原理

2.1 光纖位移傳感器邁克耳遜干涉原理

如圖1所示，一個典型的光纖邁克耳遜干涉儀由光源，單模光纖，3 dB光纖耦合器，反射鏡，解調(diào)儀組成。在光源后連接一個2×2的3 dB光纖耦合器對輸入光進(jìn)行分光，其中一路輸出作為傳感臂；另一輸出作為參考臂，兩束反射光經(jīng)過耦合器形成干涉光譜，由解調(diào)儀探測到并發(fā)送給電腦進(jìn)行解調(diào)。本系統(tǒng)采用快速傅里葉變換的相位解調(diào)方式來解調(diào)位移。

2.2 光纖測縫計(jì)法布里—珀羅干涉儀(EFPI)的原理

基本的設(shè)計(jì)原理包括安裝在平移臺上的傾斜鏡與單模光纖的端面結(jié)合，形成法布里—珀羅干涉腔。基于用戶可配置的三角形幾何位移傳輸機(jī)制使得傳感器能夠測量寬的位移范圍。考慮已有的傳感器的最大問題就是低精度和零漂。基于TC-EFPI的測縫計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。一個測量探桿連接到一個滑塊上，在該滑塊上安裝一個反射鏡。具有氣隙的法布里—珀羅干涉腔由光纖的端面和反射鏡形成。通過分析EFPI干涉譜可以確定腔長的變化。

2.3 光纖外置傾斜儀法布里—珀羅干涉儀(EFPI)傾斜測量原理

其工作原理在于利用光纖端面帶豎向反光鏡之間距離的變化來測量傾角。如圖3所示，右邊是光纖系統(tǒng)，左邊是反射鏡系統(tǒng)，頂板上固定兩根等長的柔性繩，再在柔性繩的下方固定一個反射鏡。頂板上安裝兩根柔性繩要等長。兩根柔性繩和頂板以及水平桿之間是柔性連接，所以兩根柔性繩在桿的重力作用下會始終保持在豎直狀態(tài)，當(dāng)建筑物帶著頂板傾斜時，柔性繩和豎桿之間的夾角就是建筑物的傾角。

3 光譜域干涉解調(diào)技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)

光纖位移傳感器是在光纖邁克耳遜干涉原理基礎(chǔ)上提出的。對于光纖邁克耳遜干涉，其干涉譜與法布里珀羅干涉的干涉譜基本一致，滿足式(1)。

I(λ)=I0(λ)[1+Acos(2πΔl/λ)]

(1)

根據(jù)式(1)，利用快速傅里葉變換將干涉譜由光譜域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的空間域，進(jìn)而求出光程差，根據(jù)光纖折射率再解調(diào)出光纖形變量，對于光纖位移傳感器，光纖形變量即為所測位移信息。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大范圍邊坡山體位移測量采用基于白光干涉原理的光纖邁克耳遜干涉儀，光源采用寬譜窄帶波長掃描激光，通過一個2×2的3 dB的光纖耦合器將輸入端的光分成等強(qiáng)度的兩束光到兩個輸出端，其中一個輸出端作為參考臂，另一個作為傳感臂，并且兩輸出端的末端作為反射鏡能夠?qū)⑤斎脒M(jìn)來的光反射回去，由此組成一個光纖Mechelson干涉儀。

3.2 解調(diào)方法

本系統(tǒng)采用快速傅里葉法對干涉信號進(jìn)行解調(diào)，所以需要對干涉信號進(jìn)行插值、濾波、歸一化等處理。

本系統(tǒng)采用美國國家儀器(NI)公司的Labview(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)軟件來編寫解調(diào)程序。

4 邊坡監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

4.1 邊坡滑移監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

選擇一處實(shí)際邊坡進(jìn)行邊坡滑移監(jiān)測。經(jīng)過仔細(xì)查勘，選擇了一處整體斜面較為平整的位置。

將位移傳感器尾部的光纖固定座安裝在邊坡上，通過實(shí)際邊坡滑移監(jiān)測考察光纖位移傳感器的實(shí)際監(jiān)測能力與環(huán)境適應(yīng)性，且用來監(jiān)測該邊坡的滑移情況。

4.2 邊坡測縫計(jì)、傾斜儀監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光纖測縫計(jì)、傾斜儀傳感器性能并標(biāo)定后，分別選擇5處邊坡噴護(hù)混凝土裂縫處和裂縫表面處安裝5支光纖測縫計(jì)和5臺傾斜儀，進(jìn)行邊坡的裂縫，傾斜監(jiān)測。

傾斜儀的安裝首先加工制作一套傾斜儀固定支架使儀器與地表面平行支架底板固定同樣加工特制膨脹螺栓。

考慮到天氣的影響對測縫計(jì)加裝橡膠保護(hù)套，光纖通訊電纜進(jìn)行有效保護(hù)。

4.3 邊坡監(jiān)測實(shí)驗(yàn)成果

4.3.1 邊坡滑移監(jiān)測實(shí)驗(yàn)成果

邊坡滑移監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。多段線表示所測的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，直線表示對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后的直線，可以推斷，這樣的位移變化很有可能是由于溫度引起的，溫度變化會引起邊坡的熱脹冷縮效應(yīng)，進(jìn)而引起測量結(jié)果中的位移變化。

4.3.2 邊坡測縫監(jiān)測實(shí)驗(yàn)成果

邊坡測縫監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5，邊坡測縫監(jiān)測數(shù)據(jù)測縫過程線以3月29日測值為起始點(diǎn)到5月28日的測值與日氣溫平均值繪制測值與日平均氣溫值比較過程線，通過過程線并剔除個別測次跳動的監(jiān)測數(shù)值，最大變幅0.16 mm左右這樣小的變化值能夠測出，可看出測縫計(jì)的測量精度是高的。從測縫計(jì)的監(jiān)測測值情況看測縫計(jì)的測值結(jié)果比較理想，個別跳動測值需要進(jìn)一步研究。

4.3.3 邊坡傾斜監(jiān)測實(shí)驗(yàn)成果

邊坡傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6，由傾斜過程線可看出傾斜量隨著季節(jié)溫度的變化而改變，隨著季節(jié)溫度的升高監(jiān)測的傾斜量也隨之變大，變化幅值在400 s左右。分析可能是護(hù)坡混凝土表面膨脹，這處的噴護(hù)混凝土與護(hù)坡土體分離并且噴護(hù)混凝土比較薄，由于儀器的觀測精度高才能觀測到這樣的結(jié)果。

5 精度分析

由實(shí)驗(yàn)分析位移傳感器、測縫光纖傳感器、傾斜儀傳感器具有良好的測量精度，為驗(yàn)證測量精度現(xiàn)場選取1 d時間，每間隔1 h的位移監(jiān)測數(shù)值、裂縫監(jiān)測數(shù)值、傾斜儀觀測值過程線與之比對可看出測值的變化值比較平穩(wěn)沒有跳動，監(jiān)測數(shù)值連續(xù)，這充分證明了實(shí)驗(yàn)分析是正確的。

6 結(jié)語

1)本文提出的光纖邁克耳遜干涉位移監(jiān)測系統(tǒng)，在各方面的性能做了深入的實(shí)驗(yàn)研究，現(xiàn)將主要成果總結(jié)如下：

a.對光纖邁克耳遜的光程差實(shí)現(xiàn)大范圍及高分辨率的光譜解調(diào)方法做了深入分析及研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光譜解調(diào)方法能夠獲得10 cm大動態(tài)范圍，30 nm的解調(diào)分辨率。

b.對光譜解調(diào)方法解調(diào)出的光程差與邁克耳遜干涉兩臂長度差的關(guān)系做了深入分析與研究。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用多項(xiàng)式擬合的方式標(biāo)定光程差與位移關(guān)系，能夠獲得較高精度與重復(fù)性。

c.對光纖位移傳感器的實(shí)際監(jiān)測水平做了評估研究。通過實(shí)際邊坡滑移監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了光纖位移傳感器的實(shí)用性，具備實(shí)際監(jiān)測能力，成功監(jiān)測到邊坡滑移以及邊坡隨溫度變化而產(chǎn)生的形變。

d.在山體邊坡、大壩邊坡位移測量應(yīng)用方面，提出了一種新的結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法。本文提出的光纖位移傳感器不需要機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，檢測靈敏度高于機(jī)械掃描時白光干涉儀1個數(shù)量級以上。

e.提出的光譜域相位解調(diào)方法，在百米量級的光纖長度內(nèi)可以獲得10 cm的邊坡滑移動態(tài)測量范圍，具有高達(dá)幾十納米的相對位移分辨率，并且傳感光纖布設(shè)簡單可靠。

2)對測縫計(jì)光纖傳感器各方面的性能做了深入的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為該種測縫計(jì)是一款低成本，穩(wěn)定的基于TC-EFPI的光纖傳感器，可用于各類土木工程的裂縫測量，即測縫計(jì)。

3)對傾斜儀光纖傳感器各方面的性能做了深入的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為該種傾斜儀是一種新型的光纖外置法布里—珀羅干涉儀(EFPI)的傾斜測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傾斜儀比現(xiàn)有的商用傾斜儀的精度要高數(shù)百倍，精度約為0.004″，該儀器具有極好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

4)目前該監(jiān)測系統(tǒng)工作正常，但由于監(jiān)測時間短，數(shù)據(jù)量少監(jiān)測資料系列短，同時系統(tǒng)尚處于穩(wěn)定階段。到目前為止的監(jiān)測數(shù)據(jù)尚不能得出關(guān)于邊坡變化規(guī)律的結(jié)論，有待進(jìn)一步的觀察。

綜上所述，本文介紹的新型監(jiān)測光纖傳感器是目前國內(nèi)創(chuàng)新型的應(yīng)用于工程監(jiān)測的儀器，隨著光纖技術(shù)在工程中廣泛的應(yīng)用，該新型監(jiān)測儀器將在工程安全監(jiān)測中發(fā)揮更大的作用。