FBG傳感器在排水管道水位實時監(jiān)測中的應(yīng)用

河北鏡圓科技有限公司 丁志國 龔占龍 盛智勇

光纖光柵傳感器是性能優(yōu)良的光器件傳感器，包括FBG、取樣光纖光柵等，F(xiàn)BG是傳感領(lǐng)域運用最廣泛的傳感器 ，傳感器體積小，在特殊的工業(yè)中具有重要作用。如橋梁土木工程疲勞損耗檢測等。排水管道檢測的可靠性非常關(guān)鍵，傳統(tǒng)電子傳感器無法在惡劣環(huán)境下作業(yè)，光纖傳感器具有承受極端條件等優(yōu)點 ，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測，可測得幾十公里的信息。排水管道儲存泄露如不能及時發(fā)現(xiàn)處理會造成環(huán)境污染 ，需要有安全可靠的檢測系統(tǒng) 。常用的電傳感器不適用于排水管道水位實時監(jiān)測 。FBG傳感器傳感信號通過光纖實現(xiàn)，分布式FBG傳感技術(shù)在長距離管道水位監(jiān)測方面具有獨特優(yōu)勢，可以形成光纖光柵陣列，通過觀測各點反射光中心波長漂移量判斷是否存在泄露。

1 城市排水管道監(jiān)測概述

城市排水管道用于城市雨污水傳輸排放處理 ， 內(nèi)設(shè)專門監(jiān)測系統(tǒng) ，配備智能監(jiān)測設(shè)備，可隨時監(jiān)測管道水位 。排水管道系統(tǒng)由附屬系統(tǒng)與控制中心組成 ，管道本體包括標(biāo)準(zhǔn)段預(yù)制拼裝 ，管線分支口等，附屬系統(tǒng)包括監(jiān)控報警系統(tǒng)等。根據(jù)容納管線不同分為干線型 、支線型等形式。 干線型設(shè)于城市主干道下 ，支線管道用于干線管道同用戶建立聯(lián)系， 包括直接服務(wù)于用戶的管線[1]。根據(jù)截面形式分為圓形、矩形與拱形截面等形式。

地下排水管道建設(shè)有利于城市雨污水處理，美化城市環(huán)境 ，促進(jìn)城市現(xiàn)代化建設(shè)。隨著城市化的發(fā)展，地下排水管道規(guī)模不斷擴(kuò)大 ，其結(jié)構(gòu)具有長期效益高 ，地下防水等級高 ，保準(zhǔn)體系不成熟等特點[2]。地下排水管道建設(shè)前期結(jié)構(gòu)設(shè)計施工需要大量的資金 ，集約了多種生活資源 ，是公益性市政基礎(chǔ)設(shè)施項目 ，需要有較高的地下防水等級。國內(nèi)地下排水管道建設(shè)較晚，急需統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。城市排水管道敷設(shè)于地下，周圍建筑物等會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響 。地下排水管道長度較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ，受到周圍基坑等多種因素影響， 實際運營中易出現(xiàn)不均勻沉降 ，水平錯動等病害，導(dǎo)致管道出現(xiàn)變形 ，拼接縫處水位發(fā)生變化 ，對管道水位進(jìn)行實時監(jiān)測非常必要。

城市地下排水管道服役中會產(chǎn)生不均勻沉降等變形 ， 對管道接縫處縱橫向水平位移監(jiān)測主要方法包括分布式光纖監(jiān)測 ，電類位移監(jiān)測法等 。分布式光纖水平位移監(jiān)測方法具有較高精度 ，但需將光纖與結(jié)構(gòu)緊密貼合實現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測 ，傳感器壽命與光纖同結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑有關(guān)。電類傳感器件無法串聯(lián)，地下管道所處環(huán)境潮濕，傳感器需耗費大量電纜，電類位移監(jiān)測成本較高[3]。FBG為準(zhǔn)分布式傳感器 ，具有精度高、長期穩(wěn)定性好等特點，對地下排水管道監(jiān)測所需成本低，排水管道通常選用光纖光柵傳感器。

2 地下排水管道FBG傳感器設(shè)計

光纖把電磁波能量以全反射約束在截面內(nèi)，光纖基本結(jié)構(gòu)是兩層圓柱狀媒介，纖芯折射率n1比包層折射率n2大，光波能沿纖芯向前傳播，光纖保護(hù)層用于保護(hù)光纖避免受環(huán)境污染。光纖傳感技術(shù)原理是將光波通過入射光纖傳輸?shù)絺鞲衅骷?，光波?jīng)輸出光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換部分。70年代出現(xiàn)光纖傳感器，系統(tǒng)由信號傳輸線、光電轉(zhuǎn)換等組成。分布式光纖傳感器元件為光纖，系統(tǒng)測量精度與空間分辨力存在制約關(guān)系。光纖布拉格光柵封裝工藝如圖1.

圖1FBG傳感器頭封裝示意圖

FBG是纖芯具有折射率周期變化的光纖，光纖類傳感器特點體現(xiàn)在體積小、抗電磁干擾，耐腐蝕等。傳感用光纖為單模光纖，傳感器對結(jié)構(gòu)影響??；光纖中信號以光波形式傳遞，主要成分是二氧化硅，不與酸發(fā)生反應(yīng)；多模光纖傳輸距離275-1000m,傳統(tǒng)光電傳感器漫反射感應(yīng)距離30-50cm，對射式感應(yīng)距離較長【4】。分布式測量，可進(jìn)行容量信息傳輸。在結(jié)構(gòu)健康檢測中發(fā)揮重要作用。FBG利用光纖光敏性，使纖芯軸向折射率產(chǎn)生永久性周期變化制成，制作光柵方法有逐點寫入法、相位掩模法等。光纖傳感系統(tǒng)由傳感器件、信號傳輸線等組成，如圖2所示。

圖2光纖傳感系統(tǒng)圖

目前常用的位移傳感器有機(jī)械式與光電式等方法 ， 機(jī)械式速度慢，電磁式易受到電磁干擾；光電式傳感器包括光柵式、激光式等。激光式受光的直線傳播限制，F(xiàn)BG具有結(jié)構(gòu)簡單 、重量輕、靈敏度高等特點。實際工程中環(huán)境惡劣，為使FBG位移傳感器適用于工程應(yīng)用，設(shè)計應(yīng)滿足耐久性、穩(wěn)定性等要求 。FBG拉桿位移傳感器由傳感元件、楔形滑塊等構(gòu)件組成，在FBG位移傳感器封裝套盒內(nèi)部，等強(qiáng)度懸梁壁為FBG基底材料，懸梁壁固定端固定于左端支座。懸梁壁與傳感元件采用螺栓連接，減少隨時間增長帶來應(yīng)變傳遞損失。傳感器拉桿采用無彈簧工作機(jī)制，位移傳感器拉桿受外界位移變化，拉桿帶動楔形滑塊產(chǎn)生移動。

3 FBG位移傳感器在排水管道水位監(jiān)測的應(yīng)用

某市洞壁新城排水管道以核心區(qū)為主，分布在國際金融中心、各大銀行及市政府等區(qū)域，公用管線多，管道安全運營對核心區(qū)政治文化建設(shè)起到基礎(chǔ)性作用。排水管道人民路段位于地鐵沿線，軌道施工對土體擾動較大。對管道位置造成影響，需要對管道進(jìn)行變形監(jiān)測，5號線車站施工影響范圍內(nèi)有管道500m,管道埋深約0.8～2m,側(cè)板壁厚為30cm。本路段管道地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，軟土力學(xué)性質(zhì)差，管道易發(fā)生變形，由于所處地下水位較高，拼接縫處病害會引起結(jié)構(gòu)滲漏水現(xiàn)象，導(dǎo)致管道應(yīng)力過大破壞。

通過在線監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測排水管道水位，了解管道變形發(fā)展情況，避免出現(xiàn)重大安全事故，確保既有管道運營安全。監(jiān)測系統(tǒng)檢測內(nèi)容包括拼接縫處軸向水平位移監(jiān)測，傾斜檢測等。對地下管道專項監(jiān)測依據(jù)工程測量規(guī)范等文件設(shè)計監(jiān)測方案 。管道軸向水平位移采用FBG拉桿式傳感器，管道橫向水平位移采用FBG梁式位移傳感器。地下排水管道線路長，易受到外部多種因素影響，管段軸向方向相對位移易于監(jiān)測，在拼接縫處布置FBG位移傳感器檢測軸向位移，位移轉(zhuǎn)接板固定在右側(cè)混凝土墻壁，測量轉(zhuǎn)接板與左側(cè)管廊相對距離，位移傳感器安裝在水倉外側(cè)墻壁，下放預(yù)留空間為后期安裝管道。

根據(jù)建筑變形測量規(guī)范確定管道結(jié)構(gòu)變形觀測精度等級為二級，監(jiān)測系統(tǒng)沉降監(jiān)測采用靜力水準(zhǔn)測量，坐標(biāo)中誤差為點位誤差的1倍。國內(nèi)對地下排水管道變形規(guī)范未給出詳細(xì)介紹，需要結(jié)合其他規(guī)范設(shè)定系統(tǒng)預(yù)警值，某個監(jiān)測量值超過警戒值應(yīng)及時報警，必要時對警戒值進(jìn)行調(diào)整[5]。工程測量規(guī)范未明確規(guī)定預(yù)警值，根據(jù)規(guī)范變形在允許值范圍內(nèi)，變形預(yù)警值確定通過取對應(yīng)變形允許值的60%，在建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范中對不同等級基坑監(jiān)測項目給出取值范圍，結(jié)合專家意見位移嚴(yán)禁值參考規(guī)范中壓力管線位移報警值。

通過分析地下排水管道水平方向裂縫，各測點水平位移未超過預(yù)警值，傳感器工作中拼縫處裂縫縮小，測點5處縱向位移最大為 -9.253mm，其余測點縱向累計位移變化在 ±6mm，北路段管道測點縱向位移變化絕對值最大15.22mm，位移變化小于預(yù)警值。管道結(jié)構(gòu)縱向長度大于橫向?qū)е铝芽p發(fā)生變化，管道呈現(xiàn)兩側(cè)位移變化突出，這可能與附近在建地鐵施工有關(guān)。南北路段管道位移變化速率在0.8以內(nèi)，最大值為測點3處縱向位移變化速率0.7698，表明各測點橫向位移變化波動性較小。后期監(jiān)測中周圍環(huán)境有突加荷載作用應(yīng)及時查看傳感器測量結(jié)果，北段路口地鐵站施工附近周圍環(huán)境復(fù)雜，兩方向水平位移值較大。

4 結(jié)語

本文基于FBG位移傳感器在排水管道水位監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行研究，開發(fā)拉桿式FBG位傳感器，消除彈簧蠕變對穩(wěn)定性的影響。 分析傳感器位移傳感器原理，對傳感器性能進(jìn)行驗證 ，傳感器上下包絡(luò)線保持良好一致性，傳感器性能保持良好。對某市地下排水管道工程項目分析表明附近地鐵施工對管道不均勻沉降影響較大，檢測項目在預(yù)警值以下。 隨著社會的發(fā)展，排水管道應(yīng)用受到人們關(guān)注 ，針對排水管道監(jiān)測需根據(jù)其他相關(guān)規(guī)范設(shè)定系統(tǒng)預(yù)警值 ，利用光纖光柵進(jìn)行管道監(jiān)測 ，保證結(jié)構(gòu)安全運行。