光纤测量传感器技术在敦化电站的研究与应用

解永泽 刘文礼

(吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700)

1 概述

近年来，山体滑坡频繁发生，不仅造成了一定程度的人员伤亡和财产损失，在大型水电建设施工期的边坡崩塌或滑坡对建设项目的进程和安全生产也构成严重的威胁，也对道路交通造成了严重的威胁。目前较成熟的山体滑坡检测技术包括环境监测，边坡形变监测和应力应变监测几方面。到目前为止，这些检测方法普遍采用常规的电子学或机械传感/探测仪器，检测方法普遍存在易受天气状况影响、抗电磁干扰能力差、灵敏度低、可靠性不高、远距离遥测能力差、传感器铺设施工困难等缺点。针对边坡监测目前存在的诸多技术问题，本文提出了一种用来监测边坡滑移的基于光纤位移传感器、光纤测缝计、光纤外置倾斜仪。

2 光纤传感器原理

2.1 光纤位移传感器迈克耳逊干涉原理

如图1所示，一个典型的光纤迈克耳逊干涉仪由光源，单模光纤，3 dB光纤耦合器，反射镜，解调仪组成。在光源后连接一个2×2的3 dB光纤耦合器对输入光进行分光，其中一路输出作为传感臂；另一输出作为参考臂，两束反射光经过耦合器形成干涉光谱，由解调仪探测到并发送给电脑进行解调。本系统采用快速傅里叶变换的相位解调方式来解调位移。

2.2 光纤测缝计法布里—珀罗干涉仪(EFPI)的原理

基本的设计原理包括安装在平移台上的倾斜镜与单模光纤的端面结合，形成法布里—珀罗干涉腔。基于用户可配置的三角形几何位移传输机制使得传感器能够测量宽的位移范围。考虑已有的传感器的最大问题就是低精度和零漂。基于TC-EFPI的测缝计结构如图2所示。一个测量探杆连接到一个滑块上，在该滑块上安装一个反射镜。具有气隙的法布里—珀罗干涉腔由光纤的端面和反射镜形成。通过分析EFPI干涉谱可以确定腔长的变化。

2.3 光纤外置倾斜仪法布里—珀罗干涉仪(EFPI)倾斜测量原理

其工作原理在于利用光纤端面带竖向反光镜之间距离的变化来测量倾角。如图3所示，右边是光纤系统，左边是反射镜系统，顶板上固定两根等长的柔性绳，再在柔性绳的下方固定一个反射镜。顶板上安装两根柔性绳要等长。两根柔性绳和顶板以及水平杆之间是柔性连接，所以两根柔性绳在杆的重力作用下会始终保持在竖直状态，当建筑物带着顶板倾斜时，柔性绳和竖杆之间的夹角就是建筑物的倾角。

3 光谱域干涉解调技术及监测系统

光纤位移传感器是在光纤迈克耳逊干涉原理基础上提出的。对于光纤迈克耳逊干涉，其干涉谱与法布里珀罗干涉的干涉谱基本一致，满足式(1)。

I(λ)=I0(λ)[1+Acos(2πΔl/λ)]

(1)

根据式(1)，利用快速傅里叶变换将干涉谱由光谱域转换到相应的空间域，进而求出光程差，根据光纤折射率再解调出光纤形变量，对于光纤位移传感器，光纤形变量即为所测位移信息。

3.1 监测系统结构

大范围边坡山体位移测量采用基于白光干涉原理的光纤迈克耳逊干涉仪，光源采用宽谱窄带波长扫描激光，通过一个2×2的3 dB的光纤耦合器将输入端的光分成等强度的两束光到两个输出端，其中一个输出端作为参考臂，另一个作为传感臂，并且两输出端的末端作为反射镜能够将输入进来的光反射回去，由此组成一个光纤Mechelson干涉仪。

3.2 解调方法

本系统采用快速傅里叶法对干涉信号进行解调，所以需要对干涉信号进行插值、滤波、归一化等处理。

本系统采用美国国家仪器(NI)公司的Labview(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)软件来编写解调程序。

4 边坡监测实验

4.1 边坡滑移监测实验

选择一处实际边坡进行边坡滑移监测。经过仔细查勘，选择了一处整体斜面较为平整的位置。

将位移传感器尾部的光纤固定座安装在边坡上，通过实际边坡滑移监测考察光纤位移传感器的实际监测能力与环境适应性，且用来监测该边坡的滑移情况。

4.2 边坡测缝计、倾斜仪监测实验

经过实验验证光纤测缝计、倾斜仪传感器性能并标定后，分别选择5处边坡喷护混凝土裂缝处和裂缝表面处安装5支光纤测缝计和5台倾斜仪，进行边坡的裂缝，倾斜监测。

倾斜仪的安装首先加工制作一套倾斜仪固定支架使仪器与地表面平行支架底板固定同样加工特制膨胀螺栓。

考虑到天气的影响对测缝计加装橡胶保护套，光纤通讯电缆进行有效保护。

4.3 边坡监测实验成果

4.3.1 边坡滑移监测实验成果

边坡滑移监测数据见图4。多段线表示所测的原始数据点，直线表示对原始数据进行线性拟合后的直线，可以推断，这样的位移变化很有可能是由于温度引起的，温度变化会引起边坡的热胀冷缩效应，进而引起测量结果中的位移变化。

4.3.2 边坡测缝监测实验成果

边坡测缝监测数据见图5，边坡测缝监测数据测缝过程线以3月29日测值为起始点到5月28日的测值与日气温平均值绘制测值与日平均气温值比较过程线，通过过程线并剔除个别测次跳动的监测数值，最大变幅0.16 mm左右这样小的变化值能够测出，可看出测缝计的测量精度是高的。从测缝计的监测测值情况看测缝计的测值结果比较理想，个别跳动测值需要进一步研究。

4.3.3 边坡倾斜监测实验成果

边坡倾斜监测数据见图6，由倾斜过程线可看出倾斜量随着季节温度的变化而改变，随着季节温度的升高监测的倾斜量也随之变大，变化幅值在400 s左右。分析可能是护坡混凝土表面膨胀，这处的喷护混凝土与护坡土体分离并且喷护混凝土比较薄，由于仪器的观测精度高才能观测到这样的结果。

5 精度分析

由实验分析位移传感器、测缝光纤传感器、倾斜仪传感器具有良好的测量精度，为验证测量精度现场选取1 d时间，每间隔1 h的位移监测数值、裂缝监测数值、倾斜仪观测值过程线与之比对可看出测值的变化值比较平稳没有跳动，监测数值连续，这充分证明了实验分析是正确的。

6 结语

1)本文提出的光纤迈克耳逊干涉位移监测系统，在各方面的性能做了深入的实验研究，现将主要成果总结如下：

a.对光纤迈克耳逊的光程差实现大范围及高分辨率的光谱解调方法做了深入分析及研究。实验结果表明，光谱解调方法能够获得10 cm大动态范围，30 nm的解调分辨率。

b.对光谱解调方法解调出的光程差与迈克耳逊干涉两臂长度差的关系做了深入分析与研究。通过实验验证，采用多项式拟合的方式标定光程差与位移关系，能够获得较高精度与重复性。

c.对光纤位移传感器的实际监测水平做了评估研究。通过实际边坡滑移监测实验，验证了光纤位移传感器的实用性，具备实际监测能力，成功监测到边坡滑移以及边坡随温度变化而产生的形变。

d.在山体边坡、大坝边坡位移测量应用方面，提出了一种新的结构监测方法。本文提出的光纤位移传感器不需要机械扫描结构，检测灵敏度高于机械扫描时白光干涉仪1个数量级以上。

e.提出的光谱域相位解调方法，在百米量级的光纤长度内可以获得10 cm的边坡滑移动态测量范围，具有高达几十纳米的相对位移分辨率，并且传感光纤布设简单可靠。

2)对测缝计光纤传感器各方面的性能做了深入的实验研究，认为该种测缝计是一款低成本，稳定的基于TC-EFPI的光纤传感器，可用于各类土木工程的裂缝测量，即测缝计。

3)对倾斜仪光纤传感器各方面的性能做了深入的实验研究，认为该种倾斜仪是一种新型的光纤外置法布里—珀罗干涉仪(EFPI)的倾斜测量。实验结果表明该倾斜仪比现有的商用倾斜仪的精度要高数百倍，精度约为0.004″，该仪器具有极好的稳定性和实用性。

4)目前该监测系统工作正常，但由于监测时间短，数据量少监测资料系列短，同时系统尚处于稳定阶段。到目前为止的监测数据尚不能得出关于边坡变化规律的结论，有待进一步的观察。

综上所述，本文介绍的新型监测光纤传感器是目前国内创新型的应用于工程监测的仪器，随着光纤技术在工程中广泛的应用，该新型监测仪器将在工程安全监测中发挥更大的作用。