长大隧道工程中光纤光栅仪器信号传输试验研究

郜 强，张心怡

（1.辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003；2.太原理工大学，山西太原030024）



长大隧道工程中光纤光栅仪器信号传输试验研究

郜 强1，张心怡2

（1.辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003；2.太原理工大学，山西太原030024）

摘要：辽宁省某大型输水工程隧洞安全监测采用光纤方式传输监测信号，衬砌应力应变监测仪器采用串联方式接入主光缆，外水压监测仪器采用耦合方式接入主光缆，水位监测仪器采用并联方式接入主光缆。试验方法采用主光缆衰减测试、传感器串联光纤通道总衰减测试和传感器耦合光纤通道总衰减测试，从而为光纤光栅信号传输的稳定性研究提供了有力的依据。本次试验选用国内知名厂家的设备进行检测，以确定安全检测的选材范围。

关键词：水工隧洞；衬砌裂缝；安全监测

长大隧道引水工程的隧洞施工安全决定了整个工程是否能够顺利施工及后期的稳定运行，而隧洞安全监测能够及早地发现及解决存在的隐患，为工程顺利施工及运行起到了决定性作用。

辽宁省某大型输水工程隧洞安全监测采用光纤方式传输监测信号，衬砌应力应变监测仪器采用串联方式接入主光缆，外水压监测仪器采用耦合方式接入主光缆，水位监测仪器采用并联方式接入主光缆。光信号在采用串联或耦合方式连接的传感器中传输时产生损耗，尤其是长达十几公里的信号传输，光纤通道总衰减能否符合光纤光栅解调仪信号强度和稳定性的要求，需要通过试验确定。试验前需对仪器进行二次率定。

1　试验目的

（1）确定8芯、12芯和24芯主光缆各芯线衰减常数是否满足规范要求，1550nm波长最大衰减应≦0.22dB/km。

（2）确定设计最多光纤光栅监测仪器串联后，光纤通道总衰减符合光纤光栅解调仪信号强度和稳定性要求：功率衰减范围-10～-60dB，功率衰减越小，信号越稳定。

（3）确定设计最多光纤光栅监测仪器耦合后，光纤通道总衰减符合光纤光栅解调仪信号强度和稳定性要求：功率衰减范围-10～-60dB，功率衰减越小，信号越稳定。

本试验涉及到的仪器和设备见表1。

表1　光纤光栅仪器信号传输试验仪器和设备

2　试验方法和步骤

2.1 主光缆衰减测试

为配合本次光纤传输衰减试验，共采购8芯、12芯和24芯主光缆各20km，每类光缆7盘。抽检8芯光缆5盘、12芯光缆2盘以及24芯光缆3盘，测试工具为OTDR光纤测试仪，测试波长为1550nm，检测每根芯线的衰减系数。

2.2 传感器串联光纤通道总衰减

选择监测断面内传感器串联数量最多的一组做试验。根据设计图纸，光纤光栅传感器串联量最大的断面为钢筋计2支、应变计2支以及无应力计1支，用于监测衬砌混凝土应力应变，钢筋计和应变计均为两端出纤。

（1）分别记录各光纤光栅传感器串联前两端测得的波长和衰减功率。

（2）将传感器串联，分别记录各光纤光栅传感器串联后两端测得的波长和衰减功率，确定传感器串联后衰减是否满足解调仪信号采集强度和稳定性要求。

2.3 传感器耦合光纤通道总衰减

选择监测断面内传感器耦合数量最多的一组做试验。根据设计图纸，光纤光栅传感器耦合量最大的断面为5支渗压计，用于监测外水压。本试验选择厂家1的2分6耦合器。

（1）记录各光纤光栅传感器耦合前波长和衰减功率，确定传感器串联后衰减是否满足解调仪信号采集强度和稳定性要求。

（2）传感器耦合。传感器与耦合器采用熔接方式连接，本试验为模拟最差工况，传感器与耦合器采用法兰盘连接（法兰盘连接存在接头污染、接触不良等问题，一般损耗在2dB左右）。记录各光纤光栅传感器耦合后，耦合器两端测得的波长和衰减功率，确定传感器串联后是否满足解调仪信号采集强度和稳定性要求。

3　试验数据处理

3.1 主光缆衰减测试

从测试数据来看，8芯光缆各芯线衰减系数最大值为0.187dB/km，12芯光缆各芯线衰减系数最大值为0.184dB/km，24芯光缆各芯线衰减系数最大值为0.187dB/km。

3.2 传感器串联衰减

传感器串联采用熔接方式，每个熔接点损耗控制在0.01dB以内（熔接机可以直接显示熔接损耗），不合格的重新熔接。从传感器串联前A、B方向波长和功率对比来看，波长和功率均无明显变化（受摆放位置受力不均以及与解调仪连接接触影响，波长和功率有微小差别），功率在-10dB左右，损耗较小。

传感器串联后，从两个出纤端分别测量各传感器的波长和功率。从数据来看，波长无明显变化；功率受光信号传输顺序影响，呈明显梯度变化，A方向各传感器功率从-9.45～-12.08dB，B方向各传感器功率从-9.96～-12.44dB。光信号从解调仪发出，在经过传感器时发生损耗，以最后一支传感器分析，光信号传输经过四支传感器到达第五支传感器，经反射回到解调仪，反射过程又经过四支传感器。从本次试验数据可知，光信号在传感器中传播，经过八支传感器功率损耗在2dB～3dB之间，传感器造成的光损耗较小。五支传感器串联后通道最大衰减在-12dB左右，完全可以满足解调仪对信号强度和稳定性的要求。

3.3 传感器并联耦合衰减

实际施工中，光纤渗压计通过熔接方式与耦合器连接，本次试验模拟最不利工况，光纤渗压计通过法兰盘与耦合器连接。光纤渗压计为单端出纤，通过2分6耦合器可实现两端出纤。光纤渗压计通过两个波长计算渗压值。

从试验数据来看，渗压计在耦合前功率损耗在-8.13～13.45dB，与钢筋计和应变计等光纤传感器自身损耗相近。从本次试验的三类光纤传感器试验数据来看，厂家1生产的光纤光栅钢筋计、渗压计和应变计自身对光的损耗在-10dB左右。

从耦合后的各传感器功率损耗来看，A向各传感器功率在-20.08～-29.36dB之间，B向各传感器功率在-17.34～-33.35dB之间，各传感器间功率损耗差异主要是由于法兰盘接触造成。试验最不利工况下，耦合器最大损耗为-33.35dB，与解调仪最低背景值-60dB仍有27dB左右的峰值差，完全满足解调仪对信号强度和稳定性的要求。

传感器并联耦合后最小损耗是-17.34dB，说明耦合器自身损耗可以控制在-10dB范围内，加上传感器自身损耗-10dB，通道总衰减可以控制在-20dB以内。

4　结语

（1）厂家3生产的8芯、12芯和24芯主光缆各芯线衰减系数均小于0.187dB/km，小于规范要求的0.22dB/km，满足要求。

（2）厂家1生产的光纤光栅传感器自身对光信号的损耗在-10dB左右，最大数量的传感器串联后，通道光信号最大损耗为-12.44dB，满足解调仪对光信号强度和稳定性的要求。

（3）厂家1生产的2分6耦合器自身对光信号的损耗在-10dB左右，最不利工况

下最大数量的传感器耦合后，通道光信号最大损耗为-33.35dB，满足解调仪对光信号强度和稳定性的要求。

（4）光缆衰减系数按照0.22dB/km计算，最长主光缆15km，光信号损耗为3.3dB；熔接点损耗0.01dB/个，按照20个熔接点计算，熔接损耗0.2dB；最不利工况总通道最大损耗-36.85dB，满足解调仪对光信号强度和稳定性的要求。

参考文献

［1］吴世勇，陈建康，邓建辉水电工程安全监测与管理［Z］.中国水利水电出版社，2009.

［2］王文，马俊.若干水文预报方法总数［J］.水利水电科技进展，2005，25（01）：56-60.

［3］邵乃辰.水电工程安全监测技术文集［G］.中国水利水电出版社，2009.

［4］于会泉.水利工程施工与管理.［Z］.中国水利水电出版社，2005.

作者简介：郜 强（1987年—），男，助理工程师。

收稿日期：2016-01-05

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.027

中图分类号：TN913

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）02-0073-02