光纤光栅测试技术在某高速公路扩建中的应用*

周大川 刘保健 翁效林

1 光纤传感技术及其应用

光纤传感技术是随着近代光纤及通信技术发展而逐步发展起来的一门崭新技术。通信技术中光纤被用作传输波导线,在实践中人们发现外界物理量的变化,能够导致光纤内某些传输光参数的变化。通过对传输光某些参数变化的测量,实现对物理量的测量,由此诞生了光纤传感技术。

与传统的机电传感技术相比,光纤传感技术采用光作为信息的载体,用光纤作为传输信息的介质,因此具有不受电磁干扰、耐久性好、灵敏度高、响应快、体积小、适用温度环境范围大、可复用实现分布式测量等突出的优点,使其测量的对象十分广泛,可应用于许多工程领域。目前最常用的光纤传感技术有分布式光纤传感技术与光纤光栅传感技术。按照调制方式的不同,分布式光纤传感技术分为两种系统:1)分布式传光型光纤监测系统。依据信号的性质,该技术可分为:利用后向瑞利散射的传感技术;利用喇曼效应的传感技术;利用布里渊效应的传感技术;利用前向传输模耦合的传感技术。2)分布式传感型光纤传感系统或准分布式光纤传感系统和分布式光纤传感系统。光纤总线仅起传光作用,根据寻址方式不同,又可分为时分复用、波分复用、频分复用、偏分复用和空分复用等几类。而用FBG光纤光栅传感器可组成波分复用分布式光纤传感系统。

利用布里渊效应的分布式光纤传感技术是目前应用较为广泛的测试技术之一。测量原理为:脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射,入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射,其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端,进入BOTDR的受光部和信号处理单元,经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布,如图1所示。与传统的监测技术相比,其特点主要有长距离分布式测量、高精度、耐久性好,不需对光纤进行加工,不需要作特别保护,传输与传感于一体,测试费用低等。

FBG传感技术是目前应用较为广泛的光纤光栅传感技术之一。布拉格光栅是利用光纤的紫外敏感特性,在光纤的一段范围内沿光纤轴向写入可使纤芯折射率发生周期性变化的芯内体光栅,其长度一般为10 mm左右。当宽频激光源射入光纤中遇到光栅时,波长为λB的光会被反射回来。通过测量埋入光纤光栅反射光波长的变化即可得知该点处结构的应变。可以在一根光纤上刻写多个中心波长不同的布拉格光栅,进行波分多路复用同时测量多点处的应变,测试原理见图 2。

2 光纤光栅测试技术在某高速公路改扩建中的应用

2.1 工程概况及实测方案的选择

公路路线位于四川盆地北部,处于山地与盆地的接触地带,地形有构造侵蚀中低山～丘陵、河谷堆积地貌。岩性以砂泥为主。区内地下水类型主要有第四系松散堆积层孔隙潜水、基岩裂隙水。路线区域地形起伏大,高差大,地貌多为单斜山,地质构造致使裂隙比较发育,岩体破碎。据勘察,沿线挖方边坡段岩体存在倾角多为16°～20°之间顺层滑坡。在该工程的K49标段,为保证施工与工后期挖方路段的边坡稳定,应用现场监测的方案确保工程的安全。经设计,采用传统的测斜仪与FBG光纤光栅测试技术相结合的方法共同监测岩土体深层的水平位移发展过程。

2.2 光纤光栅与测斜仪相结合的关键技术

实际上,硬质的测斜管内除有为测斜仪探头滑动而设置的两对矩形槽外,管外还设置有为定位的一对矩形槽。对于一般的裸光纤光栅,其直径小于0.3 mm,完全可以封装在测斜管的外槽内。若假设管子的下部无变形,当测斜管与岩土体产生同步变形时,管子从下到上就会产生挠曲变形,挠曲变形可由粘贴在管子外侧的一对光纤光栅传感监测并递推换算得到。由于一对光纤的布设方向是平行于坡体的可能滑动的上下方向,管子与深层坡体又是共同工作的,则监测与推算的管子挠曲变形就应是坡体的深层水平位移。图3是光纤光栅深层位移测试原理图。

因为光纤光栅布设在测斜管的外部,并不影响测斜仪的使用,这样就把两种测试技术有机地结合起来了。对于裸纤,光纤光栅的封装方法也是应用的关键技术,实践证明该方法安全、可靠、特别经济、可行,可推广使用。

仅对裸纤进行封装,只能构成测试元件,把封装后的光纤光栅与测斜管结合起来才能构成传感系统,这也是一项关键技术,它的质量直接影响到测试成果的水平。以下的制作过程是尤其要注意的:首先将测斜管表面的两个凹槽用砂纸打磨,再用脱脂棉球蘸酒精将打磨处擦洗干净,避免灰尘油污对表面的污染,然后将光纤穿入其中。在测斜管接头处有两个凸起与两个凹槽相对应,用来固定相连接的两个测斜管,应将凸起部分用工具去除,并用砂纸打磨光滑并清理,使光纤能从凹槽中顺利穿过。粘贴光纤时胶粘剂的选择必须考虑结构应变和长期监测的需要,因此胶粘剂必须适用于光纤和测斜管的粘结性能,需要具有较高的抗剪强度和耐久性,并具有较小的凝固收缩性。

将测斜管放入钻孔过程中,应注意不得将测斜管过度弯曲,以防光纤产生过大变形甚至拉断。在填充测斜管与钻孔间空隙时,应使填充材料凝固后的弹性模量与周围岩土体相近。要填充密实,以保证测斜管与周围岩土体共同工作,共同变形。

2.3 测试成果及示例

实测记录如表1所示。

表1 实测记录示例

3 结论与建议

1)将光纤光栅传感测试技术用到公路边坡监测上是先进与可行的。与传统监测方法相比,其具有自动电测、精度高、费用低的优势。2)裸光纤光栅的封装技术、温度补偿技术、传感系统的埋设技术是该方法在边坡稳定监测中应用与发展的关键技术。3)与传统边坡稳定监测方法相辅相成,积累资料是光纤光栅测试技术能否在边坡稳定监测中推广应用的首要任务。

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