光纖光柵測試技術(shù)在某高速公路擴(kuò)建中的應(yīng)用*

周大川 劉保健 翁效林

1 光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用

光纖傳感技術(shù)是隨著近代光纖及通信技術(shù)發(fā)展而逐步發(fā)展起來的一門嶄新技術(shù)。通信技術(shù)中光纖被用作傳輸波導(dǎo)線,在實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)外界物理量的變化,能夠?qū)е鹿饫w內(nèi)某些傳輸光參數(shù)的變化。通過對傳輸光某些參數(shù)變化的測量,實(shí)現(xiàn)對物理量的測量,由此誕生了光纖傳感技術(shù)。

與傳統(tǒng)的機(jī)電傳感技術(shù)相比,光纖傳感技術(shù)采用光作為信息的載體,用光纖作為傳輸信息的介質(zhì),因此具有不受電磁干擾、耐久性好、靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、適用溫度環(huán)境范圍大、可復(fù)用實(shí)現(xiàn)分布式測量等突出的優(yōu)點(diǎn),使其測量的對象十分廣泛,可應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域。目前最常用的光纖傳感技術(shù)有分布式光纖傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)。按照調(diào)制方式的不同,分布式光纖傳感技術(shù)分為兩種系統(tǒng):1)分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)。依據(jù)信號的性質(zhì),該技術(shù)可分為:利用后向瑞利散射的傳感技術(shù);利用喇曼效應(yīng)的傳感技術(shù);利用布里淵效應(yīng)的傳感技術(shù);利用前向傳輸模耦合的傳感技術(shù)。2)分布式傳感型光纖傳感系統(tǒng)或準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)和分布式光纖傳感系統(tǒng)。光纖總線僅起傳光作用,根據(jù)尋址方式不同,又可分為時分復(fù)用、波分復(fù)用、頻分復(fù)用、偏分復(fù)用和空分復(fù)用等幾類。而用FBG光纖光柵傳感器可組成波分復(fù)用分布式光纖傳感系統(tǒng)。

利用布里淵效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的測試技術(shù)之一。測量原理為:脈沖光以一定的頻率自光纖的一端入射,入射的脈沖光與光纖中的聲學(xué)聲子發(fā)生相互作用后產(chǎn)生布里淵散射,其中的背向布里淵散射光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端,進(jìn)入BOTDR的受光部和信號處理單元,經(jīng)過一系列復(fù)雜的信號處理可以得到光纖沿線的布里淵背散光的功率分布,如圖1所示。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)相比,其特點(diǎn)主要有長距離分布式測量、高精度、耐久性好,不需對光纖進(jìn)行加工,不需要作特別保護(hù),傳輸與傳感于一體,測試費(fèi)用低等。

FBG傳感技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的光纖光柵傳感技術(shù)之一。布拉格光柵是利用光纖的紫外敏感特性,在光纖的一段范圍內(nèi)沿光纖軸向?qū)懭肟墒估w芯折射率發(fā)生周期性變化的芯內(nèi)體光柵,其長度一般為10 mm左右。當(dāng)寬頻激光源射入光纖中遇到光柵時,波長為λB的光會被反射回來。通過測量埋入光纖光柵反射光波長的變化即可得知該點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?？梢栽谝桓饫w上刻寫多個中心波長不同的布拉格光柵,進(jìn)行波分多路復(fù)用同時測量多點(diǎn)處的應(yīng)變,測試原理見圖 2。

2 光纖光柵測試技術(shù)在某高速公路改擴(kuò)建中的應(yīng)用

2.1 工程概況及實(shí)測方案的選擇

公路路線位于四川盆地北部,處于山地與盆地的接觸地帶,地形有構(gòu)造侵蝕中低山～丘陵、河谷堆積地貌。巖性以砂泥為主。區(qū)內(nèi)地下水類型主要有第四系松散堆積層孔隙潛水、基巖裂隙水。路線區(qū)域地形起伏大,高差大,地貌多為單斜山,地質(zhì)構(gòu)造致使裂隙比較發(fā)育,巖體破碎。據(jù)勘察,沿線挖方邊坡段巖體存在傾角多為16°～20°之間順層滑坡。在該工程的K49標(biāo)段,為保證施工與工后期挖方路段的邊坡穩(wěn)定,應(yīng)用現(xiàn)場監(jiān)測的方案確保工程的安全。經(jīng)設(shè)計,采用傳統(tǒng)的測斜儀與FBG光纖光柵測試技術(shù)相結(jié)合的方法共同監(jiān)測巖土體深層的水平位移發(fā)展過程。

2.2 光纖光柵與測斜儀相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)際上,硬質(zhì)的測斜管內(nèi)除有為測斜儀探頭滑動而設(shè)置的兩對矩形槽外,管外還設(shè)置有為定位的一對矩形槽。對于一般的裸光纖光柵,其直徑小于0.3 mm,完全可以封裝在測斜管的外槽內(nèi)。若假設(shè)管子的下部無變形,當(dāng)測斜管與巖土體產(chǎn)生同步變形時,管子從下到上就會產(chǎn)生撓曲變形,撓曲變形可由粘貼在管子外側(cè)的一對光纖光柵傳感監(jiān)測并遞推換算得到。由于一對光纖的布設(shè)方向是平行于坡體的可能滑動的上下方向,管子與深層坡體又是共同工作的,則監(jiān)測與推算的管子撓曲變形就應(yīng)是坡體的深層水平位移。圖3是光纖光柵深層位移測試原理圖。

因?yàn)楣饫w光柵布設(shè)在測斜管的外部,并不影響測斜儀的使用,這樣就把兩種測試技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來了。對于裸纖,光纖光柵的封裝方法也是應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),實(shí)踐證明該方法安全、可靠、特別經(jīng)濟(jì)、可行,可推廣使用。

僅對裸纖進(jìn)行封裝,只能構(gòu)成測試元件,把封裝后的光纖光柵與測斜管結(jié)合起來才能構(gòu)成傳感系統(tǒng),這也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),它的質(zhì)量直接影響到測試成果的水平。以下的制作過程是尤其要注意的:首先將測斜管表面的兩個凹槽用砂紙打磨,再用脫脂棉球蘸酒精將打磨處擦洗干凈,避免灰塵油污對表面的污染,然后將光纖穿入其中。在測斜管接頭處有兩個凸起與兩個凹槽相對應(yīng),用來固定相連接的兩個測斜管,應(yīng)將凸起部分用工具去除,并用砂紙打磨光滑并清理,使光纖能從凹槽中順利穿過。粘貼光纖時膠粘劑的選擇必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)變和長期監(jiān)測的需要,因此膠粘劑必須適用于光纖和測斜管的粘結(jié)性能,需要具有較高的抗剪強(qiáng)度和耐久性,并具有較小的凝固收縮性。

將測斜管放入鉆孔過程中,應(yīng)注意不得將測斜管過度彎曲,以防光纖產(chǎn)生過大變形甚至拉斷。在填充測斜管與鉆孔間空隙時,應(yīng)使填充材料凝固后的彈性模量與周圍巖土體相近。要填充密實(shí),以保證測斜管與周圍巖土體共同工作,共同變形。

2.3 測試成果及示例

實(shí)測記錄如表1所示。

表1 實(shí)測記錄示例

3 結(jié)論與建議

1)將光纖光柵傳感測試技術(shù)用到公路邊坡監(jiān)測上是先進(jìn)與可行的。與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比,其具有自動電測、精度高、費(fèi)用低的優(yōu)勢。2)裸光纖光柵的封裝技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)、傳感系統(tǒng)的埋設(shè)技術(shù)是該方法在邊坡穩(wěn)定監(jiān)測中應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。3)與傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定監(jiān)測方法相輔相成,積累資料是光纖光柵測試技術(shù)能否在邊坡穩(wěn)定監(jiān)測中推廣應(yīng)用的首要任務(wù)。

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