一種新型光纖傳感器在實(shí)際工程中的應(yīng)用

趙緒新，劉錦程，楊璐宇，魯恩龍，崔志剛

（黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江牡丹江 157005）

0 引言

為了保證水電站的安全運(yùn)行[1]，在實(shí)際工程中，大壩安全監(jiān)察中心經(jīng)常要對(duì)大壩進(jìn)行檢查[2，3]。大壩原有觀測(cè)方式為傳感器加人工觀測(cè)方式，傳感器經(jīng)多年運(yùn)行多數(shù)出現(xiàn)老化和測(cè)點(diǎn)損壞現(xiàn)象，且精度與現(xiàn)有光纖傳輸傳感器有一定差距，受已有傳感器型式和精度限制，大壩的變形監(jiān)測(cè)只能依賴于少數(shù)壩段部分測(cè)點(diǎn)的人工觀測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)工作量大，未實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)。

對(duì)于傳統(tǒng)的觀測(cè)方式，應(yīng)用光纖光柵可埋入結(jié)構(gòu)，對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地高分辨率和大范圍監(jiān)測(cè)，是未來智能結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)神經(jīng)，也是目前健康監(jiān)測(cè)首選的傳感器之一。由于光纖光柵具有不受干擾和光路波動(dòng)影響、具有絕對(duì)測(cè)量和易于實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用的準(zhǔn)分布式傳感等突出優(yōu)點(diǎn)，可以構(gòu)成大型的傳感網(wǎng)絡(luò)。因此，某項(xiàng)目工程采用光纖監(jiān)控手段對(duì)壩體的安全性能進(jìn)行監(jiān)控。

1 技術(shù)方案及方法

1）儀器原理及結(jié)構(gòu)。此光纖傳感器是基于非本征法布里-珀羅干涉（EFPI）原理開發(fā)的高精度、性能可靠的傳感器，是基于光開關(guān)陣列技術(shù)研究多EFPI 光纖傳感器端口復(fù)用自動(dòng)化系統(tǒng)。

2）光譜解調(diào)技術(shù)。通過Labview等程序開發(fā)解調(diào)程序，可以使得測(cè)出的干涉腔長(zhǎng)精度達(dá)到1 nm以下，實(shí)現(xiàn)極高的測(cè)量精度。

3）數(shù)據(jù)處理。采集的傳感器腔長(zhǎng)根據(jù)傳感器的計(jì)算公式和參數(shù)計(jì)算出其物理量。

4）傳感器管理。根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建、修改和刪除傳感器，提供傳感器的ID、SN、安裝位置、計(jì)算公式及參數(shù)等數(shù)據(jù)的配置。

5）自動(dòng)觀測(cè)采集。根據(jù)需要設(shè)定好采集時(shí)間或者周期，在設(shè)定后無需人工參與，會(huì)自動(dòng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集。

6）歷史數(shù)據(jù)過程曲線查詢。查詢傳感器管理列表中傳感器的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，并且繪制過程曲線。

7）歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理。對(duì)多年的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

8）資料分析。建立監(jiān)控模型，確立監(jiān)控指標(biāo)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，編寫數(shù)據(jù)分析報(bào)告。根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及力學(xué)反應(yīng)特性，結(jié)合全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正反分析。

2 設(shè)計(jì)原理及風(fēng)險(xiǎn)控制

2.1 技術(shù)路線

基于非本征法布里-珀羅干涉（EFPI）原理的高精度、性能可靠的光纖傳感器、光譜解調(diào)儀、光開關(guān)、數(shù)據(jù)采集裝置等儀器設(shè)備及定制應(yīng)用光纜和安裝調(diào)試，并在必要的重點(diǎn)壩段位置埋設(shè)，采用自動(dòng)化的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與高效分析，具體實(shí)施路線見圖1。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)路線

2.2 風(fēng)險(xiǎn)控制原理

1）EFPI 光纖傳感器的大范圍、高精度解調(diào)技術(shù)。當(dāng)光纖傳感器的測(cè)量范圍達(dá)到毫米量級(jí)時(shí)，其特征光譜信號(hào)的對(duì)比度及信噪比會(huì)大幅度下降，從而影響光纖傳感器的測(cè)量精度。針對(duì)這個(gè)問題，采用兩種方案來解決：①針對(duì)信號(hào)對(duì)比度下降問題，采取在反射光纖端面鍍金膜的手段來解決。金膜可以通過磁控濺射鍍膜的方法來實(shí)現(xiàn)。在反射光纖端面鍍上金膜可以大大提高其端面反射率，從而達(dá)到提高傳感器信號(hào)對(duì)比度的目的。②針對(duì)信號(hào)信噪比下降的問題，采取小波降噪并結(jié)合組合的傳感器解調(diào)算法的方案來解決。小波變換具有很好的時(shí)頻特性，可以很好地將噪聲和信號(hào)分離，從而實(shí)現(xiàn)噪聲的有效濾除。在小波降噪的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳感器信號(hào)的解調(diào)，采用傅里葉變換解調(diào)結(jié)合相關(guān)計(jì)算解調(diào)的方法，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的解調(diào)，但傅里葉變換解調(diào)對(duì)噪聲不敏感，其解調(diào)分辨率較低，如果在傅里葉變換解調(diào)算法的基礎(chǔ)上再結(jié)合能實(shí)現(xiàn)高分辨率解調(diào)的相關(guān)計(jì)算方法，則可以實(shí)現(xiàn)光纖傳感器大范圍及高精度解調(diào)技術(shù)。

2）光纖傳感器的可靠封裝技術(shù)。在大壩健康監(jiān)測(cè)中，涉及多參量、多測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。根據(jù)測(cè)量參量不同、測(cè)點(diǎn)位置不同，需設(shè)計(jì)不同的光纖傳感器封裝結(jié)構(gòu)及方案。

封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)遵循以下原則：封裝后的傳感器有良好的重復(fù)性和線性度；封裝結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度及良好的穩(wěn)定性，可以給傳感器提供足夠的保護(hù)和滿足長(zhǎng)期使用要求；根據(jù)測(cè)試參量的不同，合理選擇封裝材料，以達(dá)到傳感器對(duì)測(cè)量的敏感和對(duì)非測(cè)量的不敏感特性。封裝結(jié)構(gòu)按照這些原則并根據(jù)測(cè)點(diǎn)實(shí)際情況來設(shè)計(jì)和優(yōu)化，是在大量實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上最終確定的。

3）光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制技術(shù)。大壩健康監(jiān)測(cè)過程中，涉及眾多光纖傳感器的同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不合理的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)布置會(huì)降低數(shù)據(jù)的有效性和增加通道間的串?dāng)_。針對(duì)這個(gè)問題，首先對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并通過有限元分析方法確定光纖傳感器布設(shè)的最佳位置，以盡量減少布設(shè)傳感器的數(shù)量。在傳感器布設(shè)位置及數(shù)量選定后，再根據(jù)傳感器測(cè)量信號(hào)不同及測(cè)點(diǎn)位置不同，通過合理組合波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用及空分復(fù)用等光纖傳感器復(fù)用技術(shù)來優(yōu)化光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到多參量、多測(cè)點(diǎn)同步實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩健康狀況的全方位監(jiān)測(cè)。

3 應(yīng)用成效

1）EFPI 光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、傾斜、變形、滲壓、震動(dòng)等多種監(jiān)測(cè)方式，解決大壩全壩段、全方位、全覆蓋監(jiān)測(cè)，是大壩監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，也是該領(lǐng)域內(nèi)國(guó)內(nèi)外的技術(shù)空白。該成果的成功應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)其他大壩提供了成功案例，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2）針對(duì)大壩等水工設(shè)施的全方位監(jiān)測(cè)，徹底改變了目前大壩的安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，使大壩性態(tài)處于完全可控和在控狀態(tài)。

3）該成果的應(yīng)用，完全替代了人工觀測(cè)，其最大效益就是安全效益，可確保大壩的安全狀態(tài)處于可控和在控狀態(tài)。如有異?，F(xiàn)象可及時(shí)發(fā)現(xiàn)、分析，并采取相應(yīng)的處理措施，為大壩性態(tài)分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

4 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖2 為3 個(gè)測(cè)點(diǎn)水平錯(cuò)動(dòng)、垂直錯(cuò)動(dòng)、開合度及Y 向傾角變化過程線，圖2 中CT 表示傳統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化過程線，GX 表示光纖傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)過程線。觀測(cè)數(shù)據(jù)具有正負(fù)號(hào)，在繪圖時(shí)完全根據(jù)原始數(shù)據(jù)提供的正負(fù)號(hào)繪制，不做修正。

圖2 各觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化過程線

對(duì)于縫變形觀測(cè)而言，傳統(tǒng)設(shè)施與光纖傳感器，水平錯(cuò)動(dòng)位移、垂直錯(cuò)動(dòng)位移與開合度一部分基本一致、另一部分差異較大，而且差異的點(diǎn)很有規(guī)律，基本上是1—2 月與7—8 月期間，即最寒冷和最炎熱的期間，以光纖傳感器觀測(cè)的變化過程線變化幅度大，說明對(duì)外界水位、溫度等環(huán)境的影響敏感。如果廊道中的溫度變化不足以使光纖傳感器產(chǎn)生如此大的變幅，那說明是光纖傳感器具有靈敏捕捉大壩縫變形變化的能力。

對(duì)于傾角觀測(cè)，由傳統(tǒng)觀測(cè)設(shè)施得到的傾斜角與光纖傳感器的傾角變化過程線，變化趨勢(shì)基本一致。

5 結(jié)論

通過光纖傳感器在工程實(shí)踐中的應(yīng)用表現(xiàn)，可總結(jié)出其具備如下幾個(gè)特性。

1）多用途、全方位。光纖傳感器適用于內(nèi)觀、外觀等多種不同項(xiàng)目的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，基本涵蓋了目前所有的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，可實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)的全方位覆蓋。

2）高精度、無零漂。光纖傳感器的測(cè)量精度可達(dá)到nm 級(jí)甚至更高，可監(jiān)測(cè)到極其微小的變量，能有效掌握監(jiān)測(cè)對(duì)象的運(yùn)行性態(tài)。同時(shí)，光信號(hào)的特質(zhì)決定了其可靠性和穩(wěn)定性，避免了零漂的產(chǎn)生。

3）抗干擾、防雷擊。因采取有效手段解決了光信號(hào)信噪比下降的問題，使其具備極強(qiáng)的抗干擾性能。同時(shí)也因是光纜布設(shè)，避免了雷擊的可能。

4）網(wǎng)布設(shè)、免維護(hù)。光纖傳感器對(duì)外部環(huán)境要求較低，光纜通達(dá)之處皆可測(cè)量，系統(tǒng)布設(shè)簡(jiǎn)單。運(yùn)行期間以避免光纜斷裂為主，維護(hù)量極少。

綜上所述，新型光纖傳感器在工程中完全替代了人工觀測(cè)，且具有多用途、全方位、高精度、無零漂、抗干擾、防雷擊、網(wǎng)布設(shè)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用光纖傳感器可以更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，更加高效穩(wěn)定地對(duì)大壩進(jìn)行全方位安全性能監(jiān)控。