桂林市光明科技实业有限公司 广西壮族自治区桂林市 541004
摘要：我国目前处在基础设施建设的高峰期，各种桥梁、大坝、隧道、大型厂矿和储备油库等大型工程纷纷上马。由于建设规模大，环境条件复杂，建设速度快，对工程施工和长期运行的安全性必须进行在线监测，才能有效预防安全事故的发生。传感技术是这些工程安全监测的基础和支柱，而随着工程难度和环境条件日趋复杂，传统的传感技术已愈来愈显示出它的局限性，如抗干扰能力和抗恶劣环境能力差，长期稳定性差，难以实现现场非电、大容量、远程分布式、数字化监测等。鉴于此，本文主要分析光纤光栅传感技术在水利工程的应用。
关键词：光纤光栅传感技术；水利工程；应用
1、引言
相较于传统传感设备，光纤光栅基于光纤传输特性，起源于光纤通信技术。光纤光栅传感技术近年来发展快速，例如在土木工程中，道路桥梁工程的健康检测广为使用。
光纤传感器中的光纤和一般通讯光纤结构相似，分为三个部分：纤芯、包层和涂覆层。光纤纤芯以二氧化硅为主，基于全内反射物理原理，特定的光波会在纤芯中传输。在特定波段的宽光谱光作用下，纤芯存在着光敏感特性，光纤折射率会根据光源的不同特征而发生变化。光纤中形成一定周期的折射率变化，这是光纤光栅的应用基础。
光纤光栅传感器是一种准分布式传感器，在其某一范围内，沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化而形成芯内体光栅。因此，应力应变、温度差异变化的量测，可以通过监测光纤光栅中波长的变值而准确量测。
光纤光栅传感器，其结构形式是非常简单的。在高温或酸碱的不良环境中能长期应用，并且相比其他类型，稳定性好，可靠度高。在传导光纤上，可以完全完成多位置布设、多参数独立测量，从而在复杂的水利工程结构中是可以充分发挥其能力的。
2、光纤光栅传感技术的优点
（1）取消了以往监测设备需要的电源，开关，保护等设备，在大型的远距离的工程中，也不需要中继设备。不需要修建专门的观测建筑物；（2）抗干扰，不受外界电磁场影响，长期漂移小，因而可用来作长期可靠的连续在线检测；（3）复用能力强，可实现对一线多点、两维点阵或空间分布的连续监测；（4）一条光纤可以将多个监测测量（如坝体位移，水位，应力应变）远距离传输，克服了以前各个测量系统单独传输的弊病，节省了传输方面的投资；（5）它们的物理载面和力学强度小，在粘贴或嵌入到主体中不会对其性能和结构造成影响；且能进一步集合成分布传感网络系统，广泛应用于对工程结构的应力、应变、渗流等参数。它能满足对结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求。
3、光纤光栅传感系统的构建
3.1、光纤光栅传感器选择
在实际使用中，光纤传导需要考虑信号衰减、互扰的问题，由于光纤传感设备信号传输中存在损耗，一般考虑10%的能量损耗。在实际工程中，应先根据需求选择合适的传感器调制方式以及传感器类型，之后再进行传感器的布设安装。
在大型新建工程中，构建施工监控或者后期运营健康监测系统，用埋入式光纤光栅布设方案较为科学，效果更好；已运营的工程结构，一般以外部设置为主，有损安装方式辅助，将不同类型的传感器安装在结构的重要位置进行健康监控。
3.2、传感器优化布置
水利工程结构监测系统需考虑各类传感器的优化布置，目的是通过用最小的成本来准确掌握结构的实时状态，减小资源浪费。
关于优化传感器布置，目前集中关注以下方面：第一，尽量使用网络协议传感器，以此实现系统中数据采集的实时传递与共享；第二，采用遗传算法对监测系统中传感器的优化布点优化计算和修正。国内外有很多工程师采用广义遗传算法进行传感器优化布置设计，或者采用关键截面插值拟合误差最小准则进行优化配置。
水利工程在使用期间存在服役环境复杂多变等影响，目前还没有统一的传感网络优化布设应用方法。在实际服役期间，传感器的布设数量十分巨大，需要根据实际工程单独或者参考同类工程设计和使用某种优化方法。目前大型水利工程结构监测系统存在的主要问题是成本太高，系统的可靠度偏低。传感器布设位置、布设数量、网络的鲁棒性等问题都是后续值得关注的问题。
4、光纤光栅传感技术在水利工程的应用
4.1、光纤光栅传感技术在水位遥测中的应用
在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器专门用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。传感器的精度可以到达±0.1%F·S。光纤安装在传感器内部，由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG，并反射符合布拉格条件的某一波长的光信号。当FBG与弹性膜片或其它设备连接在一起时，水位的变化会拉伸或压缩FBG。而且，反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。那么，根据反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。
4.2、光学水位传感器的测量方法
宽带光源发出的光经过一个三端口的光环行器和光纤传输到FBG。由于光纤光栅的选择作用，符合一定条件的波长将被反射，反射回来的波长信号被光电探测器接收。光电探测器将光信号转换成电信号，并将采集到的数据送到信号处理模块进行计算分析，从而得到水位值。其他波长的光谱则经过该光纤光栅传输到下一个光纤光栅，同时不同波长的光谱都将被反射。这样，当不同布拉格波长的FBG传感器串联在一起，用一根光纤就可能测到多个测点的水位值。
为了提高测量波长的准确度，可以采用用于温度控制的光纤布拉格光栅作为参考物，就可以确保反射波长波动始终小于1pm。
为了保证水位测量的准确性，在使用前，要用空气增压器对传感器弹性膜片进行水压模拟试验，对波长偏移的测量不少于十次。
4.3、光学水位传感器的实际运用
通过水位测量系统的野外试验，证明了光学水位传感器是较理想的水位监测设备。进行水位测量时，已经在测点上安装的通用电子水位计是与光学水位传感器同时工作的。由两种传感器测得的水位数据非常一致，误差小于1cm。通过试验，确定了传感器的可靠性。传感器的准确度可以到达±1cm，并且系统不会发生致命错误。证明了光学水位传感器可以进行远程、实时水位监测，测点还不需要外接电源。
4.4、光纤光栅在大坝安全监测上的应用
光纤光栅温度传感试验出现渗漏的水库大坝，周边出现的问题会导致该处的水通过坝体表面的缝隙渗透到大坝内部，同时在坝体内他们会沿着缝隙进行流动。水在流动的过程之中，此处坝体的温度将会随其发生改变，通过对光纤光栅温度传感器检测出的这个温度变化，我们即可判断出渗漏点发生的位置加以应用。利用多个光纤光栅温度传感器有可能构成分布传感网络，因此可以实现对整个大坝周边缝渗流监测。我们可以从试验结果看出，当大坝发生渗流时，由于温度变化会导致使其中心波长与温度的相关系数增长，但是并没有迟滞现象的发生，相反地，它们却存在很好的线性理论关系。这也正证明了光纤 Bragg 光栅是一种十分理想的温度传感元，这种结果与理论分析完美的达到了统一。传感器的一致性良好的这种性质，非常有利于对大面积的贴片进行测量以及对实现工程结构的测量。将光纤光栅传感器安装在水槽的下方，水槽尽量采用坝体附近的土石，以便避免外界因素对实验的干扰，更接近实际效果。在模拟试验过程中，我们选择三个不同的渗流点进行二次试水试验，然后观察渗流点处水的前后温度变化过程，将试验数据记录于一根单模光纤上不同位置 Bragg 光栅所反映出来的温度变化曲线。比较典型的光纤光栅传感系统网络，因为光纤光栅利用波长编码的方式从而实现传感测量的原因，传感网络可采用光开关来对各个通道进行切换，这种方式的开关使各通道互相没有干扰。各个通道可以采用相同波长的光纤光栅传感器阵列，因此使得频带资源得到更有效的使用。当传感器阵列中某个传感器处的监测量某一因素发生改变时，该传感器的中心波长就会灵敏性地发生变化，这种波长的微小变化被采样探测，同时系统将所采样的数据转倒到信号处理中心进行计算分析，从而我们可得到传感器的相关参变量和相应的应变、温度等测量结果。
5、结束语
光纤光栅式传感器具有测量精度高、耐腐蚀、适合远程传输与监控等优点。1989 年美国布朗大学的 Mendez 等人首先提出把光纤传感器用于混凝土结构健康监测，此后国内外研究人员对光纤光栅传感系统在工程中的应用做了大量的研究工作，但由于其抗剪能力差、受施工干扰的影响较大，目前除了在施工干扰及施工交叉较小的桥梁工程中有一些应用，在国内外土木水利工程中并没有得到广泛应用。
参考文献：
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