光纤传感技术在边坡监测中的应用与发展

刘 志

0 引言

一直以来,边坡工程的安全监测一直是岩土工程界的一个重要课题。目前,国内外应用于边坡安全监测的技术和方法很多,从传统的测斜管、压力计、雨量计和位移计,新型的GPS[1,2],TDR[3]和光纤传感器[4,5],都被大量运用于实际工程监测当中。传统监测技术在数字化、自动化方面比较落后,而一些新型的监测技术,运用了新的测试原理,显示出更优异的性能。以光纤传感器为例,利用玻璃光纤作为传感和传导介质,可以抗电磁干扰以及地下水的腐蚀,寿命更长、精度更高。

1 光纤应变监测技术设计原理及实用性研究

1.1 光纤传感监测系统

光纤传感监测系统主要由以下三部分构成:光纤传感器系统、信号传输与采集系统、数据处理与监测系统。

光纤传感器所用光纤由纤芯、包层和涂覆层组成。光纤纤芯的主要成分为二氧化硅,其中含有极少量的掺杂剂,一般为二氧化锗,用以提高纤芯的折射率,形成全内反射的弱导光纤将光限制在纤芯中。纤芯的直径在5 μ m～50 μ m 之间,其中单模光纤为9 μ m,多模光纤为50μ m。包层主要成分为二氧化硅,直径125μ m。涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料,外径为250μ m,用于增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性[8]。

激光器发出的光在传感区域受环境信号的调制后经耦合器进入光探测器,调节后得出环境信号。

1.2 光纤网络布设

如图1所示,光纤网是若干各节点经由光纤(或光缆)连接而成的面状网络,通过特定的布设方法,可以仅凭一条光纤便将所有节点都连接起来,从而简化了数据线的接入问题。

根据具体的边坡条件,节点被固定在土体表面以下一定位置,或直接附着在岩体表面,固定方式可以采取锚杆等方法;光纤(光缆)通过专门的固定剂粘着在节点上,将岩土体表面的各节点连接成网,用以监测岩土体的表面变形。而且,如果将光纤同地梁和锚杆(索)相结合,把光纤植入地梁当中,用锚杆(索)来固定节点,还可以起到监测与加固的双重作用[7]。

2 边坡监测中可应用的光纤传感器

在土木工程中使用的已经在商业化或即将商业化的光纤传感器有:基于Michelson干涉原理的位移传感器[8];基于光纤弯曲损耗原理的光纤微弯应变传感器;基于光栅反射原理的布拉格光栅光纤传感器(可以测量应变和温度)[8];基于Fabry-Perot干涉原理的应变传感器;基于Raman和Brillouin散射原理的分布式温度传感器和基于水凝胶导致光纤微弯损耗原理的适度传感器等。

2.1 BOTDR

BOTDR的测量原理是当单频光在光纤内传输时会发生布里渊背向散射光,而布里渊背向散射光的频移(Brillouin Frequnencuy Shift)与应变和温度成正比。为了扣除温度变化对频移的影响,可利用一段不受外力作用的自由光纤进行温度补偿,并根据式(1)中布里渊频移变化量与应变的关系,求得光纤的应变量:

其中,υB(ε)为某应变下的布里渊频移;υB(0)为无应变下的布里渊频移;C为应变比例常数;ε为应变量。

目前该传感器的最大测量距离为80 km,应变测量范围为-15000 μ ε～ +15000 μ ε,距离分解度为 1 m,应变的测量精度达±30 μ ε,基本满足工程边坡的技术监测要求[7]。

2.2 FBG

FBG布拉格光栅光纤传感器的测量原理,是在光纤核心中一段纵向折射率周期性变化排列(光栅),其间周期性折射率改变间距以Λ表示,一般常使用的宽频光源为发光二极管、冷光二级管、半导体激光,注入光纤中只有波长为λB的光会被反射回来。

其中,n为光纤纤芯的有效折射率。

当光栅受到外力产生应变时,造成原本间距的 Λ改变增加量为ΔΛ,代入式(2)可得:

通过应变公式可求得:

3 光纤传感技术的优缺点

与传统的电阻式测试技术相比,光纤传感技术具有明显的优点:光传感技术可以进行分布式监测;由于只需要输入光源,因此不受电磁等干扰,稳定性好,监测精度高,完全可以满足工程监测的要求;同时,光纤应变监测技术可以进行远程监测,便于与各种管理系统及应急监视处理系统联网。

光纤传感技术最具有前景的优点是:在恶劣环境下可以达到无人监测的功能,这些是传统传感器无法胜任的;另一方面是准分布或者分布式光纤传感器,它不仅能测量传感器处的变形或者应力等物理量,而且同时可以得知位置,这样一根光纤就可以测出结构参数大致的分布状态,进行实时监测。

光纤的致命缺点是光纤细小,易折断。因此在埋设、布设时很困难。在设计布设方案时应该考虑到这一缺点,采取防护措施。作为一种新型的监测技术,光纤传感器可借助经验很少,技术应用还不够成熟,不能对边坡的变形进行全面的反映,在技术和施工工艺上都有待于更进一步的深入研究。

4 应用展望

光纤应变监测技术相比传统的电阻式监测技术而言具有明显的优势,必将在今后的工程监测中起到重要作用。现阶段的技术还不是很成熟,可以预想在不久的将来,光纤传感技术必将成为许多工程监测的首选技术。光纤传感技术有待解决的不足之处:1)测量信息处理系统的开发,数据的存储与传输系统,通过网络达到及时处理数据;2)光纤的埋设技术和保护技术需要进一步的深入研究。

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