光纤光栅传感器在边坡稳定监测的应用

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1、第6期(总第204期)华东公路No．6(TotalNo．204)2013年l2月20日EASTCHINAHIGHWAYDecember2013文章编号：1001—7291(2013)06—0029—03文献标识码：B光纤光栅传感器在边坡稳定监测的应用李万里，王桂茵[1．海峡(福建)交通工程设计有限公司，福建福州350000；2．福州海峡职业技术学院，福建福州350000]摘要：边坡稳定一直是工程界研究的重要问题，边坡的监测是确保边坡安全及预报险情的重要手段。由于光纤光栅传感器有灵敏度高、耐腐蚀、抗

2、干扰能力强等优势，将其运用到边坡监测中必将取得良好的效果。本文就光纤光栅传感器的测量应变基本原理，阐述了将其运用的边坡稳定监测中的方法，并通过工程实例予以实践论证。关键词：边坡监测；光纤光栅光纤光栅(FibeBraggGreting)传感器属于波长纤芯具有折射率周期性变化的结构。根据耦合理论，调制型非线性作用的光纤传感器。光纤光栅是将通信A=2hA的波长就被光栅反射回去，A为光纤光栅用光纤的一部分利用锗光线非线性吸收效应的紫外全的中心波长，／l为光栅的周期，纤芯的有效折射率。息曝光法而制成的一种称

3、为BraggGrating的纤芯折射反射的光栅中心波长A与光栅的周期和纤芯的率周期性变化光栅。光纤光栅传感器除具有光纤传感有效折射率关，因此当被测量引起光纤光栅温度、器的质轻体小、灵敏度高、耐腐蚀和抗干扰能力强等应力或者磁场的改变都会导致反射的中心波长的变优势外，还有其独特的优点：化，从而光纤光栅反射光中心波长的变化就反映外界(1)传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可被测信号的变化情况。变，适合埋入结构之中，稳定性、重复性好；光纤光栅传感器的工作原理如图1所示，光源将(2)传感器与光纤之间存在天

4、然兼容性，低损一定带宽的光入射到光纤光栅中，由于光纤的选择性耗、光谱特性好、可靠性高；作用，符合光栅中心波长的光被反射回来，再送入光(3)具有非传导性，对被测介质影响小；谱分析仪测出光纤光栅的反射波长变化，解调装置即(4)轻巧柔软，可在一根光纤里写人多个光栅，通过检测波长的变化推导出外界应变、应力、温度和构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，压力等被测量。实现分布式传感；(5)测量信息波长编码的，不受光源的光强波f射光谱ti透射信胆号t}孚反射信号动、光纤连接及耦合损耗以及光波偏振态的变化

5、等因j／＼I／／＼l。———一——∑—◆。。。』—L。—素的影响，有较强的抗干扰能力。传输，纤1光纤光栅传感器的基本原理光纤是光导纤维的简称，是工作在光波波段的一种圆柱形介质波导。光纤能将光形式电磁波能量利用全反射原理约束在纤芯中，并引导光纤沿着光纤方向向前传播。图1光纤光栅传感器工作原理光纤光栅也是一段光纤，经过特殊的处理，其的收稿日期：2013-09-24一30一华东公路2013年第6期2光纤光栅传感器安装方法18。，剥蚀风化十分严重。设计边坡分级高度10m，2．1传感器封装平台宽度为1m。第

6、一、二级边坡设计采用3m×由于裸光纤光栅非常纤细，只有125m，在恶3．0m单元普通锚杆框架梁植草防护，锚杆长7m，劣的工程环境中难以存活，所以必须对其进行封装后入射角为20。。第三、四级边坡采用菱形骨架植草防才能使用。如图2所示，依附测斜管将光纤光栅传感护。框架梁为现浇C25混凝土，每隔10m一15m设器进行封装。一道伸缩缝，缝宽2cm，以沥青麻絮填塞。框架梁延伸至路堑开挖边界及边坡平台，延伸长度大于2m，梁上增设锚杆。上坡方向FBCFBG与斜坡岩土接近剖面：A—A图2光纤光栅传感器的封装2．2

7、温度补偿a)变形前b)变形后由于光纤光栅的热光效应和热膨胀效应，温度是直接影响光纤光栅波长变化的因素。为了消除温度对图3光纤光栅传感器在边坡位移监测的原理示意光栅工作的影响，应采取温度补偿措施，目前有多种温度补偿方法，如设置温度测量光栅、双光栅叠加、4．2现场仪器的布设参考光栅法、采用啁啾光栅等。如图4所示，在一级边坡处设14m测斜管一根，处理数据时从总的波长变化中减去温度引入的波测斜管外壁布置光纤光栅多点传感器，并在测斜管外长变化，得到应变引起的波长变化，进而得到待测应壁设3处XP05型振弦频率

8、温度传感器以校正温度误变。差，其长度分别距平台表面0．5m、7m、14m，每3光纤光栅传感器进行边坡监测的原理处光栅的温度通过内插法计算得到。如图3所示，当边坡发生滑动时，测斜管将随之发生变形，附着在测斜管上的两根光纤也将会发生拉伸和压缩的变化。在光栅处测得的应变，通过应变传递计算出测斜管对应处的应变。由于测斜管底端固定于基岩，通过应变进一步可计算出每个光栅对应处上下1m(上下各0．5m)的变形，从而就可得到测斜管的挠曲线，拟合出挠度方程。要求得边坡一定深度在某一次监测的位移，只要