光纖光柵傳感技術在基坑監測中的應用

那昊亮 郭晉杰

1.深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東深圳 518000；2.深圳灣區城市建設發展有限公司，廣東深圳 518054

0 前言

基坑監測是建設工程施工過程中的一項重要內容。通過使用一系列嚴密的監測設備與方法，對基坑周邊土體、環境、支護結構等部件的變化情況進行觀察、測量與分析，從而可以評定該工程目前的穩定狀態以及后續發展趨勢，為接下來的項目開展提供指導性意見。但目前絕大多數的監測工作仍然是通過人工到現場以點式測量的方式進行。這種方式不僅效率較低，同時不可避免地存在因人為因素而導致的數據處理錯誤。錯誤的數據有可能帶來災難性的后果。為此，近年來各個城市相繼建起了基坑監測平臺，通過自動化監測設備及時上傳監測數據，計算機進行自動計算分析，并出具報告，減少了人為參與數據計算的因素。但該方法仍然需要人工到現場進行測量作業，或者將自動化監測設備架設進施工場地，進行自動化監測。仍然需要考慮后續場地的供電、設備安裝位置、信號傳輸、防盜、腐蝕、電磁干擾等一系列問題。而近些年出現的光纖光柵傳感技術就能較好的解決上述問題。

1 光纖傳感的優勢

光纖傳感技術起始于1977 年，隨著光纖傳輸技術的不斷發展，目前光纖傳感技術已經廣泛應用于電子通信、國防軍事、能源環保、石油化工、航天航空等領域。光線在光纖中傳播，容易受到外界環境的影響，從而發生光強、相位、頻率等參數的變化。人們通過對這些參數進行數據采集、觀察和分析，就能準確掌握相對應物理量的變化。目前，通過光纖可探測變化的物理量多達百余種。相對于傳統傳感器，光纖具有以下較為明顯的優勢：

（1）無需供電，電絕緣性好

光纖本質是一種特制的玻璃或塑料纖維絲，根據光的全反射原理，光在纖芯中發生全反射，沿著纖芯傳播，從而達到遠距離傳輸的目的。

（2）抗電磁干擾

在工程環境中，不可避免存在高磁場、高濕度、高腐蝕性的環境，纖芯本質上是二氧化硅，性質非常穩定，在惡劣環境下依然可以正常工作。

（3）靈敏度高

光纖傳感是利用光在光纖中傳播，外界環境發生變化會引起光纖本身發生形變，從而導致纖芯內傳播的光參量發生變化，這種形變的感應靈敏度可達到微米級別。

（4）測量物理量多，監測范圍廣

目前，光纖能測量諸如位移、壓力、溫度、振動、液位、形變、彎曲、流量等物理量。

（5）光纜的造價成本較低，適用于大面積的推廣。

2 光纖傳感原理

2.1 光纖傳感器分類

光纖根據光受被測對象的調制形式可以分為：強度調制型、頻率調制型、相位調制型、偏振態調制型以及波長調制型。顧名思義，不同調制類型的光纖傳感器其應用原理不盡相同。光強調制型光纖是利用被測信號調制光強，使探測器接收到的光強度隨著被測信號的變化而變化。光強型光纖傳感器優點在于其調制方法簡單、響應速度快、運行可靠、造價成本低等，目前使用面較為廣泛。但使用過程中也發現其缺點同樣較為明顯，如測量精度偏低，容易產生漂移，所以需要采用一些補償措施。隨著光纖技術的發展，在對測量精度需求較高的情況下，采用相位調制型和偏振調制型傳感器越來越多。本文所采用的光纖布拉格光柵傳感器就是波長調制型光纖傳感器。

光纖布拉格光柵（fiber bragg grating，FBG）傳感器是目前應用最為廣泛的一種光纖光柵傳感器，其中最主要的部件就是光纖布拉格光柵，其基本結構如圖1 所示。

FBG 是光纖中的一種無源器件，是利用強紫外線激光，以空間變化的方式刻錄在標準單模光纖中心的光學傳感器件。短波長的紫外線光子具有足夠高的能量，用以打破穩定的氧化硅材料，從而破壞光纖的現有結構，增加光照部分的折射率。折射率發生周期性變化的光纖區域會形成一個具有特定波長選擇性的光柵區域，其傳感原理如圖2 所示[1-2]。

光在單模光纖中向前傳播，并在每個光柵上發生特定波長的反射，這些反射光會在某個特定的窄帶波長范圍內形成干涉，干涉光會沿著光纖原路返回，并形成中心波長為λB的窄帶反射光。所以，光纖布拉格光柵的作用就是將波長為布拉格波長的光反射回去。由耦合模理論可知，反射光的中心峰值波長λB即為布拉格波長[3]，其大小如下式所示：

其中，λB是光纖布拉格光柵反射中心波長；neff是光纖纖芯的有效折射率；Λ 是布拉格光柵的周期，即光柵的柵距。使用光譜儀或者光纖光柵解調儀可獲得反射譜的中心峰值波長，即光柵的布拉格波長。

當寬帶光源通過光纖光柵時，滿足布拉格條件的光會被光柵反射回來，其他波長的光將透射過去。通過測量反射頻譜的位移量，就可以得到被測量物理量的變化。利用這一特性，可制成測量各類物理量的光纖布拉格光柵傳感器件。

當光柵受到軸向應力和外界溫度變化影響時，光纖布拉格光柵位置發生微小形變，從而引起該段光柵處有效折射率neff及布拉格光柵周期Λ 的變化，最終導致反射光的中心峰值波長λB發生位移。

通過檢測反射光中心峰值波長的變化量就能獲得相應溫度、應變的變化信息。其中，應變量通過彈光效應和光纖光柵伸縮影響ΔλB，而溫度通過熱光效應和熱膨脹效應影響ΔλB[4]。

2.2 光纖布拉格光柵復用技術

一般來說，單個光纖光柵傳感器只針對某一特定區域的某一特定物理量進行監測。但在實際的基坑監測項目中，往往需要同時監測大量的監測點，以及更多的參數，所以對于光纖光柵技術提出更高的要求。對于這一問題，目前可采用光復用技術來解決。光復用技術是指為了提高通信線路的利用率，在同一傳輸線路上同時傳輸多路不同信號，而信號間互不干擾的技術。光復用技術的種類非常多，目前應用較為廣泛的主要有光波分復用（wavelength-division multiplexing，WDM）技術以及光時分復用（optical timedivision multiplexing，OTDM）技術。

光波分復用技術的基本原理是在發送端用寬帶光源照射同一根光纖上的多個不同反射中心波長的光纖布拉格光柵，由于各個光柵的反射中心波長不同，可以通過波長特征來尋址，從而分辨出不同的信號。但由于光源帶寬的限制，各傳感光柵中心波長所占據的頻帶資源有限，再加上待測量存在一定的動態范圍，所以在實際使用過程中利用光波分復用技術可復用的傳感器數量并不多。

光時分復用技術的基本原理是在同一根光纖上可以將信道分成若干個時間片段，由不同的信號使用不同的時間片段，從而達到同一條光纖傳輸多路信號的目的。在實際應用的過程中，可將多個光纖傳感器串接，信號在光纖傳輸的過程中，從任意相鄰的兩個光纖光柵傳感器上反射回來的信號在時間軸上是分隔開的，利用這一現象，可實現在同一根光纖上間隔一定的距離后，使用同一中心波長的多個光纖光柵傳感器，從而解決了因光頻帶資源有限而無法復用更多光纖光柵傳感器的問題。在接收端，可通過接收到多個光脈沖的延時分辨出多個脈沖信號。當光源帶寬和被測對象的動態范圍不再成為制約因素，則在同一根光纖上可復用的光纖光柵傳感器數量將大幅提高[5-6]。

3 光纖光柵在基坑監測中的應用

3.1 在混凝土支撐結構內力監測中的應用

光纖應力計的安裝與常規應力計安裝類似，均應在混凝土支撐的監測截面選擇對支撐結構受力較大、有代表性的位置進行布設。在支撐鋼筋制作的過程中，一般在被測斷面上下左右的四個面埋設光纖應力計。監測點的數量和間距應視具體情況而定，通常選擇混凝土支撐長度1/3 斷面處，在鋼筋籠綁扎過程中，用焊接的方式將光纖應力計焊接在鋼筋籠四個角上，并取代一段主筋，然后跟隨鋼筋籠一并澆筑進混凝土內。在基坑開挖的過程中，光纖應力計與混凝土支撐一并受力變形，通過接收并計算光纖應力計的布拉格光柵反射中心波長變化量ΔλB，即可得到混凝土支撐軸力的監測數據。

在安裝前，應先使用光柵光纖解調儀檢查傳感器光譜和波長是否完好，數值指標和量程是否與設計指標一致；安裝完畢后，應記錄安裝的時間、位置、設備編號、安裝人員等基本信息；由于焊接過程中的高溫會對光纖應力計產生影響，故在用電焊機焊接光柵應力計、主筋和連接鋼筋時，應用濕毛巾將光纖應力計包裹，并不斷澆水降溫，防止焊接的過程中損壞傳感器；焊接完畢后，應立即用光纖光柵解調儀檢測傳感器是否正常，如發現損壞，應立即更換；確認安裝成功后，記錄好光譜和波長信息，并對接引光纖做好保護工作。

3.2 在鋼支撐軸力監測中的應用

鋼支撐軸力可采用光纖光柵表面應變計進行監測，通過兩夾具間的位移變化量來計算鋼支撐軸力的變化。光纖光柵表面應變計可直接安裝在鋼支撐表面1/3 斷面處，監測方向應平行于軸力受力方向，一般來說，應安裝在支撐軸上下左右四個面上，但為了建設成本及安裝便捷程度考慮，也可簡化為在鋼支撐水平對稱布設兩個監測點位。

安裝時，先將夾具固定安裝在設計點位上；然后將光纖光柵表面應變計固定在夾具上，預拉調整應變計的量程范圍；最后接引光纖保護并引出。

將應變計安裝到夾具的過程中，在旋緊固定螺絲時應時刻注意光纖光柵反射光波長的變化量，如變化量過大，應及時停止旋緊螺絲，調整應變計位置后再重新旋緊，防止在安裝的過程中損壞應變計。由于光纖內部較為脆弱，在安裝過程中應注意對接引光纖的保護，防止因碰撞、砸落而導致接引光纖的折斷[7-8]。

3.3 在孔隙水壓力監測中的應用

孔隙水壓力監測采用光纖光柵孔隙水壓力計監測。在基坑周邊的孔隙水壓力監測點位鉆孔，鉆孔深度應超過光纖光柵孔隙水壓力計埋深約50 cm，先用透水性好的中砂回填至壓力計安裝位置。安裝前，應先用紗布將壓力計包裹并捆綁牢固，防止傳感器被泥沙堵塞；將壓力計放入鉆孔后，再用細沙回填，以保證壓力計埋設位置的透水性，確保檢測數據的可靠程度；埋設完畢后，將接引光纖引出地表并與主光纜熔接；最后采用膨潤土進行封口[9]。

光纖光柵孔隙水壓力計應提前2周左右布設完畢，埋設時注意壓力計應被水完全浸沒，并排凈透水沙中的小氣泡。

3.4 在地下水位監測中的應用

地下水位監測可采用光纖光柵液位傳感器，通過液體壓力，施加水壓在液壓傳感器上。光纖光柵解調儀通過測量波長的變化量，計算出液位計所在位置的水壓力，然后根據液體壓力、所在位置與液體密度的關系可以算出此時液面的相對高度，再根據液位傳感器的安裝位置，即可得出此時液面的高度值。

3.5 在錨索（桿）應力監測中的應用

錨索應力監測可采用光纖光柵錨索軸力計。錨索應力監測點布置在豎向高程的各道錨索上，錨索應力監測數量不應少于錨索總根數的3%。光纖光柵錨索軸力計與常規錨索軸力計安裝過程類似，先將待需觀測的錨索埋入孔內，待錨索內錨固段及錨索孔孔口支承墩達到設計強度后，在張拉前將內墊板穿套在錨墊板外側；將監測錨索從傳感器中心孔穿過，傳感器斷面與孔軸線應垂直，其中偏斜度應小于0.3°，偏心不大于3 mm；待傳感器穿套完成后，繼續穿套外墊板等部件；全部安裝完成后，對光纖光柵軸力計、孔口墊板和錨孔三者同軸測試，在加荷載張拉前，還應測量軸力計的初始值，作為監測的基準值；然后進行張拉加荷，達到設計張拉荷載后，計算傳感器測試值并與設計值進行比對，比對一致后，即可使用。

4 結束語

光纖傳感技術已廣泛應用于各行各業中，技術層面上也已經趨于成熟，但作為自動化監測的一種手段，光纖光柵監測技術目前仍處于起步階段。光纖光柵憑借著其體積小、靈敏度高、抗電磁輻射、安全高效、環境適用性高等優點，已應用到越來越多的場景中，尤其是相對較惡劣的環境，光纖探測有著不可比擬的優勢，能夠代替人們解決許多行業中的難題。本文通過對光纖布拉格光柵傳感器原理的分析以及安裝過程的介紹，表明目前光纖光柵傳感技術已經可以應用到基坑監測中，為今后光纖光柵傳感在自動化監測中的應用提供一些參考。