長(zhǎng)大隧道工程中光纖光柵儀器信號(hào)傳輸試驗(yàn)研究

郜 強(qiáng)，張心怡

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003；2.太原理工大學(xué)，山西太原030024）

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長(zhǎng)大隧道工程中光纖光柵儀器信號(hào)傳輸試驗(yàn)研究

郜 強(qiáng)1，張心怡2

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003；2.太原理工大學(xué)，山西太原030024）

摘要：遼寧省某大型輸水工程隧洞安全監(jiān)測(cè)采用光纖方式傳輸監(jiān)測(cè)信號(hào)，襯砌應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器采用串聯(lián)方式接入主光纜，外水壓監(jiān)測(cè)儀器采用耦合方式接入主光纜，水位監(jiān)測(cè)儀器采用并聯(lián)方式接入主光纜。試驗(yàn)方法采用主光纜衰減測(cè)試、傳感器串聯(lián)光纖通道總衰減測(cè)試和傳感器耦合光纖通道總衰減測(cè)試，從而為光纖光柵信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性研究提供了有力的依據(jù)。本次試驗(yàn)選用國(guó)內(nèi)知名廠家的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，以確定安全檢測(cè)的選材范圍。

關(guān)鍵詞：水工隧洞；襯砌裂縫；安全監(jiān)測(cè)

長(zhǎng)大隧道引水工程的隧洞施工安全決定了整個(gè)工程是否能夠順利施工及后期的穩(wěn)定運(yùn)行，而隧洞安全監(jiān)測(cè)能夠及早地發(fā)現(xiàn)及解決存在的隱患，為工程順利施工及運(yùn)行起到了決定性作用。

遼寧省某大型輸水工程隧洞安全監(jiān)測(cè)采用光纖方式傳輸監(jiān)測(cè)信號(hào)，襯砌應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器采用串聯(lián)方式接入主光纜，外水壓監(jiān)測(cè)儀器采用耦合方式接入主光纜，水位監(jiān)測(cè)儀器采用并聯(lián)方式接入主光纜。光信號(hào)在采用串聯(lián)或耦合方式連接的傳感器中傳輸時(shí)產(chǎn)生損耗，尤其是長(zhǎng)達(dá)十幾公里的信號(hào)傳輸，光纖通道總衰減能否符合光纖光柵解調(diào)儀信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，需要通過(guò)試驗(yàn)確定。試驗(yàn)前需對(duì)儀器進(jìn)行二次率定。

1　試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）確定8芯、12芯和24芯主光纜各芯線衰減常數(shù)是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，1550nm波長(zhǎng)最大衰減應(yīng)≦0.22dB/km。

（2）確定設(shè)計(jì)最多光纖光柵監(jiān)測(cè)儀器串聯(lián)后，光纖通道總衰減符合光纖光柵解調(diào)儀信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求：功率衰減范圍-10～-60dB，功率衰減越小，信號(hào)越穩(wěn)定。

（3）確定設(shè)計(jì)最多光纖光柵監(jiān)測(cè)儀器耦合后，光纖通道總衰減符合光纖光柵解調(diào)儀信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求：功率衰減范圍-10～-60dB，功率衰減越小，信號(hào)越穩(wěn)定。

本試驗(yàn)涉及到的儀器和設(shè)備見(jiàn)表1。

表1　光纖光柵儀器信號(hào)傳輸試驗(yàn)儀器和設(shè)備

2　試驗(yàn)方法和步驟

2.1 主光纜衰減測(cè)試

為配合本次光纖傳輸衰減試驗(yàn)，共采購(gòu)8芯、12芯和24芯主光纜各20km，每類(lèi)光纜7盤(pán)。抽檢8芯光纜5盤(pán)、12芯光纜2盤(pán)以及24芯光纜3盤(pán)，測(cè)試工具為OTDR光纖測(cè)試儀，測(cè)試波長(zhǎng)為1550nm，檢測(cè)每根芯線的衰減系數(shù)。

2.2 傳感器串聯(lián)光纖通道總衰減

選擇監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)傳感器串聯(lián)數(shù)量最多的一組做試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，光纖光柵傳感器串聯(lián)量最大的斷面為鋼筋計(jì)2支、應(yīng)變計(jì)2支以及無(wú)應(yīng)力計(jì)1支，用于監(jiān)測(cè)襯砌混凝土應(yīng)力應(yīng)變，鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)均為兩端出纖。

（1）分別記錄各光纖光柵傳感器串聯(lián)前兩端測(cè)得的波長(zhǎng)和衰減功率。

（2）將傳感器串聯(lián)，分別記錄各光纖光柵傳感器串聯(lián)后兩端測(cè)得的波長(zhǎng)和衰減功率，確定傳感器串聯(lián)后衰減是否滿(mǎn)足解調(diào)儀信號(hào)采集強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

2.3 傳感器耦合光纖通道總衰減

選擇監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)傳感器耦合數(shù)量最多的一組做試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，光纖光柵傳感器耦合量最大的斷面為5支滲壓計(jì)，用于監(jiān)測(cè)外水壓。本試驗(yàn)選擇廠家1的2分6耦合器。

（1）記錄各光纖光柵傳感器耦合前波長(zhǎng)和衰減功率，確定傳感器串聯(lián)后衰減是否滿(mǎn)足解調(diào)儀信號(hào)采集強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

（2）傳感器耦合。傳感器與耦合器采用熔接方式連接，本試驗(yàn)為模擬最差工況，傳感器與耦合器采用法蘭盤(pán)連接（法蘭盤(pán)連接存在接頭污染、接觸不良等問(wèn)題，一般損耗在2dB左右）。記錄各光纖光柵傳感器耦合后，耦合器兩端測(cè)得的波長(zhǎng)和衰減功率，確定傳感器串聯(lián)后是否滿(mǎn)足解調(diào)儀信號(hào)采集強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 主光纜衰減測(cè)試

從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，8芯光纜各芯線衰減系數(shù)最大值為0.187dB/km，12芯光纜各芯線衰減系數(shù)最大值為0.184dB/km，24芯光纜各芯線衰減系數(shù)最大值為0.187dB/km。

3.2 傳感器串聯(lián)衰減

傳感器串聯(lián)采用熔接方式，每個(gè)熔接點(diǎn)損耗控制在0.01dB以?xún)?nèi)（熔接機(jī)可以直接顯示熔接損耗），不合格的重新熔接。從傳感器串聯(lián)前A、B方向波長(zhǎng)和功率對(duì)比來(lái)看，波長(zhǎng)和功率均無(wú)明顯變化（受擺放位置受力不均以及與解調(diào)儀連接接觸影響，波長(zhǎng)和功率有微小差別），功率在-10dB左右，損耗較小。

傳感器串聯(lián)后，從兩個(gè)出纖端分別測(cè)量各傳感器的波長(zhǎng)和功率。從數(shù)據(jù)來(lái)看，波長(zhǎng)無(wú)明顯變化；功率受光信號(hào)傳輸順序影響，呈明顯梯度變化，A方向各傳感器功率從-9.45～-12.08dB，B方向各傳感器功率從-9.96～-12.44dB。光信號(hào)從解調(diào)儀發(fā)出，在經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)發(fā)生損耗，以最后一支傳感器分析，光信號(hào)傳輸經(jīng)過(guò)四支傳感器到達(dá)第五支傳感器，經(jīng)反射回到解調(diào)儀，反射過(guò)程又經(jīng)過(guò)四支傳感器。從本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，光信號(hào)在傳感器中傳播，經(jīng)過(guò)八支傳感器功率損耗在2dB～3dB之間，傳感器造成的光損耗較小。五支傳感器串聯(lián)后通道最大衰減在-12dB左右，完全可以滿(mǎn)足解調(diào)儀對(duì)信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。

3.3 傳感器并聯(lián)耦合衰減

實(shí)際施工中，光纖滲壓計(jì)通過(guò)熔接方式與耦合器連接，本次試驗(yàn)?zāi)M最不利工況，光纖滲壓計(jì)通過(guò)法蘭盤(pán)與耦合器連接。光纖滲壓計(jì)為單端出纖，通過(guò)2分6耦合器可實(shí)現(xiàn)兩端出纖。光纖滲壓計(jì)通過(guò)兩個(gè)波長(zhǎng)計(jì)算滲壓值。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，滲壓計(jì)在耦合前功率損耗在-8.13～13.45dB，與鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)等光纖傳感器自身?yè)p耗相近。從本次試驗(yàn)的三類(lèi)光纖傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，廠家1生產(chǎn)的光纖光柵鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)和應(yīng)變計(jì)自身對(duì)光的損耗在-10dB左右。

從耦合后的各傳感器功率損耗來(lái)看，A向各傳感器功率在-20.08～-29.36dB之間，B向各傳感器功率在-17.34～-33.35dB之間，各傳感器間功率損耗差異主要是由于法蘭盤(pán)接觸造成。試驗(yàn)最不利工況下，耦合器最大損耗為-33.35dB，與解調(diào)儀最低背景值-60dB仍有27dB左右的峰值差，完全滿(mǎn)足解調(diào)儀對(duì)信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。

傳感器并聯(lián)耦合后最小損耗是-17.34dB，說(shuō)明耦合器自身?yè)p耗可以控制在-10dB范圍內(nèi)，加上傳感器自身?yè)p耗-10dB，通道總衰減可以控制在-20dB以?xún)?nèi)。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）廠家3生產(chǎn)的8芯、12芯和24芯主光纜各芯線衰減系數(shù)均小于0.187dB/km，小于規(guī)范要求的0.22dB/km，滿(mǎn)足要求。

（2）廠家1生產(chǎn)的光纖光柵傳感器自身對(duì)光信號(hào)的損耗在-10dB左右，最大數(shù)量的傳感器串聯(lián)后，通道光信號(hào)最大損耗為-12.44dB，滿(mǎn)足解調(diào)儀對(duì)光信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。

（3）廠家1生產(chǎn)的2分6耦合器自身對(duì)光信號(hào)的損耗在-10dB左右，最不利工況

下最大數(shù)量的傳感器耦合后，通道光信號(hào)最大損耗為-33.35dB，滿(mǎn)足解調(diào)儀對(duì)光信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。

（4）光纜衰減系數(shù)按照0.22dB/km計(jì)算，最長(zhǎng)主光纜15km，光信號(hào)損耗為3.3dB；熔接點(diǎn)損耗0.01dB/個(gè)，按照20個(gè)熔接點(diǎn)計(jì)算，熔接損耗0.2dB；最不利工況總通道最大損耗-36.85dB，滿(mǎn)足解調(diào)儀對(duì)光信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：郜 強(qiáng)（1987年—），男，助理工程師。

收稿日期：2016-01-05

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.027

中圖分類(lèi)號(hào)：TN913

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）02-0073-02