一种新型光纤传感器在实际工程中的应用

赵绪新，刘锦程，杨璐宇，鲁恩龙，崔志刚

（黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江牡丹江 157005）

0 引言

为了保证水电站的安全运行[1]，在实际工程中，大坝安全监察中心经常要对大坝进行检查[2，3]。大坝原有观测方式为传感器加人工观测方式，传感器经多年运行多数出现老化和测点损坏现象，且精度与现有光纤传输传感器有一定差距，受已有传感器型式和精度限制，大坝的变形监测只能依赖于少数坝段部分测点的人工观测，现场工作量大，未实现全方位监测。

对于传统的观测方式，应用光纤光栅可埋入结构，对其内部的应变等参数进行实时地高分辨率和大范围监测，是未来智能结构的集成光学神经，也是目前健康监测首选的传感器之一。由于光纤光栅具有不受干扰和光路波动影响、具有绝对测量和易于实现波分复用的准分布式传感等突出优点，可以构成大型的传感网络。因此，某项目工程采用光纤监控手段对坝体的安全性能进行监控。

1 技术方案及方法

1）仪器原理及结构。此光纤传感器是基于非本征法布里-珀罗干涉（EFPI）原理开发的高精度、性能可靠的传感器，是基于光开关阵列技术研究多EFPI 光纤传感器端口复用自动化系统。

2）光谱解调技术。通过Labview等程序开发解调程序，可以使得测出的干涉腔长精度达到1 nm以下，实现极高的测量精度。

3）数据处理。采集的传感器腔长根据传感器的计算公式和参数计算出其物理量。

4）传感器管理。根据需要创建、修改和删除传感器，提供传感器的ID、SN、安装位置、计算公式及参数等数据的配置。

5）自动观测采集。根据需要设定好采集时间或者周期，在设定后无需人工参与，会自动根据设定的参数进行自动采集。

6）历史数据过程曲线查询。查询传感器管理列表中传感器的历史测量数据，并且绘制过程曲线。

7）历史数据库管理。对多年的历史数据进行数据库管理。

8）资料分析。建立监控模型，确立监控指标，对监测数据进行理论分析，编写数据分析报告。根据大坝结构特点及力学反应特性，结合全面的监测数据进行正反分析。

2 设计原理及风险控制

2.1 技术路线

基于非本征法布里-珀罗干涉（EFPI）原理的高精度、性能可靠的光纤传感器、光谱解调仪、光开关、数据采集装置等仪器设备及定制应用光缆和安装调试，并在必要的重点坝段位置埋设，采用自动化的方式进行监测数据的实时采集与高效分析，具体实施路线见图1。

图1 项目实施技术路线

2.2 风险控制原理

1）EFPI 光纤传感器的大范围、高精度解调技术。当光纤传感器的测量范围达到毫米量级时，其特征光谱信号的对比度及信噪比会大幅度下降，从而影响光纤传感器的测量精度。针对这个问题，采用两种方案来解决：①针对信号对比度下降问题，采取在反射光纤端面镀金膜的手段来解决。金膜可以通过磁控溅射镀膜的方法来实现。在反射光纤端面镀上金膜可以大大提高其端面反射率，从而达到提高传感器信号对比度的目的。②针对信号信噪比下降的问题，采取小波降噪并结合组合的传感器解调算法的方案来解决。小波变换具有很好的时频特性，可以很好地将噪声和信号分离，从而实现噪声的有效滤除。在小波降噪的基础上，针对传感器信号的解调，采用傅里叶变换解调结合相关计算解调的方法，可以实现大范围的解调，但傅里叶变换解调对噪声不敏感，其解调分辨率较低，如果在傅里叶变换解调算法的基础上再结合能实现高分辨率解调的相关计算方法，则可以实现光纤传感器大范围及高精度解调技术。

2）光纤传感器的可靠封装技术。在大坝健康监测中，涉及多参量、多测点的监测。根据测量参量不同、测点位置不同，需设计不同的光纤传感器封装结构及方案。

封装结构的设计遵循以下原则：封装后的传感器有良好的重复性和线性度；封装结构有足够的强度及良好的稳定性，可以给传感器提供足够的保护和满足长期使用要求；根据测试参量的不同，合理选择封装材料，以达到传感器对测量的敏感和对非测量的不敏感特性。封装结构按照这些原则并根据测点实际情况来设计和优化，是在大量实验室和现场试验的基础上最终确定的。

3）光纤传感器网络拓扑结构优化及控制技术。大坝健康监测过程中，涉及众多光纤传感器的同步实时监测，不合理的光纤传感器网络布置会降低数据的有效性和增加通道间的串扰。针对这个问题，首先对大坝结构进行建模，并通过有限元分析方法确定光纤传感器布设的最佳位置，以尽量减少布设传感器的数量。在传感器布设位置及数量选定后，再根据传感器测量信号不同及测点位置不同，通过合理组合波分复用、时分复用及空分复用等光纤传感器复用技术来优化光纤传感器网络结构，最终达到多参量、多测点同步实时测量，实现对大坝健康状况的全方位监测。

3 应用成效

1）EFPI 光纤传感器可实现应力、应变、倾斜、变形、渗压、震动等多种监测方式，解决大坝全坝段、全方位、全覆盖监测，是大坝监测的目标，也是该领域内国内外的技术空白。该成果的成功应用，为国内其他大坝提供了成功案例，具有很高的推广应用价值。

2）针对大坝等水工设施的全方位监测，彻底改变了目前大坝的安全监测现状，使大坝性态处于完全可控和在控状态。

3）该成果的应用，完全替代了人工观测，其最大效益就是安全效益，可确保大坝的安全状态处于可控和在控状态。如有异常现象可及时发现、分析，并采取相应的处理措施，为大坝性态分析、设计和运行提供强有力的技术支持。

4 观测数据分析

图2 为3 个测点水平错动、垂直错动、开合度及Y 向倾角变化过程线，图2 中CT 表示传统的观测数据变化过程线，GX 表示光纤传感器观测数据过程线。观测数据具有正负号，在绘图时完全根据原始数据提供的正负号绘制，不做修正。

图2 各观测点数据变化过程线

对于缝变形观测而言，传统设施与光纤传感器，水平错动位移、垂直错动位移与开合度一部分基本一致、另一部分差异较大，而且差异的点很有规律，基本上是1—2 月与7—8 月期间，即最寒冷和最炎热的期间，以光纤传感器观测的变化过程线变化幅度大，说明对外界水位、温度等环境的影响敏感。如果廊道中的温度变化不足以使光纤传感器产生如此大的变幅，那说明是光纤传感器具有灵敏捕捉大坝缝变形变化的能力。

对于倾角观测，由传统观测设施得到的倾斜角与光纤传感器的倾角变化过程线，变化趋势基本一致。

5 结论

通过光纤传感器在工程实践中的应用表现，可总结出其具备如下几个特性。

1）多用途、全方位。光纤传感器适用于内观、外观等多种不同项目的自动化监测，基本涵盖了目前所有的监测项目，可实现大坝安全监测的全方位覆盖。

2）高精度、无零漂。光纤传感器的测量精度可达到nm 级甚至更高，可监测到极其微小的变量，能有效掌握监测对象的运行性态。同时，光信号的特质决定了其可靠性和稳定性，避免了零漂的产生。

3）抗干扰、防雷击。因采取有效手段解决了光信号信噪比下降的问题，使其具备极强的抗干扰性能。同时也因是光缆布设，避免了雷击的可能。

4）网布设、免维护。光纤传感器对外部环境要求较低，光缆通达之处皆可测量，系统布设简单。运行期间以避免光缆断裂为主，维护量极少。

综上所述，新型光纤传感器在工程中完全替代了人工观测，且具有多用途、全方位、高精度、无零漂、抗干扰、防雷击、网布设、免维护等优点。应用光纤传感器可以更好地实现自动化测量，更加高效稳定地对大坝进行全方位安全性能监控。