光纤光栅传感技术在水工结构监测中的应用研究

光纤光栅传感技术在水工结构监测中的应用研究

王彪 易永杰 纪博文

云南省迪庆州小中甸水库管理局 云南 香格里拉 674400

中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司 北京市 100024

广东省科源工程监理咨询有限公司 广东 广州 510450

摘要：在不断增加基础设施建设的时候，也就是各种大型工程发展的高峰期。在这个阶段，由于发展速度较快，所筹备的工程施工质量难以保证，这是就需要用到对各种工程结构的检测。像桥梁，大坝和储备工厂等这些大型的工程一般规模是非常庞大的，而且施工的环境较为复杂。为了达到建设速度而又质量有所保证目的，必须进行工程的安全检测，以防发生相关的安全事故。关于工程所用到的安全检测，一般都利用的是传感技术，以往存在的传感技术具有一定的局限性，在遇到有工作难度和复杂环境的情况下，就会受到干扰，而变得不够稳定，影响到监测数据的精确性。所以为了能够更好的适应工程的发展，工程的安全检测也要不断的优化和改进，接下来我们就分析一下关于光纤光栅传感技术在实际工程中的安全检测应用。

关键词：光纤光栅；传感技术；水工结构；监测

引言

安全检测事关水利工程的安全运营，间接性的影响到国家经济和社会的发展稳定。从很久以前，各国的工程师们都开始专注于对监控技术的研究和应用，各项技术被不断的研发和改进，出现各种各样的类型，其中自动化的系统被广泛应用，比如说，传感器。传感器的应用是在工程安全监测中的一大成就，其中差阻式传感器和振弦式传感器被经常用到。现如今，新型的光纤光栅传感设备由于优点很多而被工程师们着重应用到水利工程的结构检测当中，不同的水利工程结构各有不同，需要进行一系列的分析，再根据具体的特点和情况进行应对解决，光纤光栅这种传感设备在应用过程中监测范围很广，精确度也很高，耐久性也是非常不错的，所以他的发展前景和应用前景都很广阔。接下来我们就以混凝土结构为研究背景，对这种传感设备进行应用上的简要分析，希望能够为相关的人员提供一些参考。

1光纤光栅传感基本原理

对于以往的传统设备来说，光纤光栅传感顾名思义是通过光纤通信的技术来进行光纤传输。由于现代科技发展飞速，光纤光栅传感技术也被广泛的应用于各项工程中，比如在桥梁的健康检测中，他的通讯结构与一般的光纤差不多，都是分为纤芯，包层和涂覆层。纤芯是主要成分是二氧化硅，光波通过反射的原理进行信息传输，利用其光敏感的特性，进行光纤光源的折射，统计周期内的折射率变化作为应用基础，来进行准分布式传感。在一定范围内统计周期性的变化来准确测量应力，应变和温度的改变。它的耐性极强，可以在高温或者说酸碱情况下应用，而且是长期应用。相较于传统的设备来说，其构造简单所测量数据精确，在监测功能中可以应对较复杂的环境，进行数据统计和独立测量。应用于水利工程结构安全监测中是非常合适的。

2水工混凝土结构监控要点

在应用有效的时间内，水利工程一般会由于水流而造成渗透和磨损，其各项参数数据也会不断的变化，而造成结构上的改变和缺陷。无论在后期的使用过程中，还是在之前的施工设计上，都不可能是完美无缺的，其先天性的缺陷会在后期使用过程中，因为环境因素而不断的恶化，长期以往会造成结构性的隐患，比如在使用过程中，因为耐久性减弱而导致开裂，变形等造成安全威胁，所以在结构使用当中会出现不确定的风险，随时可能造成损失。而水工结构的监测就是为了及时的发现水工结构的问题，通过测量参数来确定位移，渗流和应变等情况，如果发现出现严重的裂变以及下沉等，造成可能影响使用的情况，将会立即采取措施进行处理。关于渗流监测，主要包括结构物本身以及周围相关建筑结构的渗透压力和渗透量。而应力应变监测会对混凝土以及结构内部还有岩土压力进行监测，对这些数据进行采集后分析是否超过安全数值范围。

3光纤光栅传感系统的构建

3.1光纤光栅传感器选择

由于光纤是通过网络技术进行信息传递，所以在传递过程中，如果信号出现干扰或者说衰弱，就会造成信息传递上能量损耗，在计划内，一般会将10%的能量损耗考虑在实际工程内，不排除特殊情况。在实际应用当中，要根据现实的需求来选择不同的传感器，选择光纤光栅设备注意对设备的调节设置，对于传感器的分布，安装一般会有一个整体的监测体系，在整个工程当中会被应用于水工的监测系统。如果选择埋入式的，分布方案效果可能会更好，在工程当中监测设施主要以外部为主，在不有损安装方式的情况下，有损的方法为辅，进行不同类型传感器的安装和分布。

3.2传感器优化布置

除了要考虑传感式的布置安装以外，还要对传感器的状态以及使用布置进行优化，也就是说在达到监测目的，保证监测效果不受到影响情况下，尽可能减少成本支出。主要在以下几点钟重点关注:首先对于数据的采集和传递，尽可能的选择网络协议传感器，可以有效的保证数据的实时性，及时的传递共享数据。其次，，可以用遗传算法来对传感器的位置进行精确计算和优化，或者通过其他算法来尽可能的减小误差，尽可能的避免受环境因素的影响，在现实的使用当中，所需要用的时间较长，而且分布数量较多，一般会根据部分结构来进行选择后整体分析，确定最优方案。现阶段的监测体系成本支出较大，然而可信度却很低，所以在布置应用方面都有待研究。

3.3水工混凝土结构健康监测系统的应用

以混凝土结构为实例，构建一个监测系统，对混凝土结构的主体部分以及周围区段要进行重点监测，还要对容易出现安全隐患的地方，重点关注，比如入水口和出水口由于容易受到冲刷，侵蚀等情况，经常会发生变形，这些地方都要重点监测。划分重点区域，这些地方与实际上需要监测的位置基本上是符合的，再通过精测设计分布，来寻找比较敏感的地方，也就是在受力情况下，受到压力最大，最容易出现变形的部分区域，进行针对性的设计和考虑。根据结构的特点，进行精细的传感器分布，针对不同区段所设计，分布部署情况也要有所不同，比如在容易出现断裂的地方要进行裂缝实测和应力应变检测，在容易出入水渗透的地方要进行渗透压检测和变形检测，以防这些部位发生渗透和损耗情况而造成整体结构的改变。由于这是混凝土结构，所以要进行土压力监测。针对如果发生损耗，或者说是出现利便的情况，可能会造成的结构位移要提前应对好措施，根据实际的情况，去构造相对应的结构模型，通过对相应数据的优化和改进，来确保整体监测系统的分布完整。整个监测体系要以监测中心为核心，在自动采集数据后进行数据分析，再将各类数据一同传送到数据中心，关于数据以及信息的采集，一定要设立单一渠道，在一定时间内进行储存传输，所以监测中心和数据中心一定要进行独立的设置，确保数据传输的实时性。一般情况下这些信息会通过网络通信进行无线的传输。所有的监测设备的安装以及观测都要同步进行，而数据的采集，整理以及参数的统计分析也要同步进行，同时还要注意对仪器的保护，这些一系列的措施，都要和现实中的施工情况保持同步。水利工程的健康监控系统监测包括应力，应变。以及裂缝，位移和渗透情况的监测。在需要重点监测的断面处设置多个传感器，按照整体的结构和传感器分布，严格把控距离，分布的位置一定要设计合理。

结束语

以上叙述了关于现阶段采用的新型光纤光栅传感技术在现实情况中的应用测量，主要以水工混凝土结构为背景，做了简要的分析和初步探索。1）通过对传统的检测和各方面的检测研究，以传统的监控和新型的传感技术进行了对比，简述了关于光纤光栅监测的先进特点；2）根据现时应用中光纤光栅传感器分布的情况，统计参数，确定整体分布的系统构造；3）在不违背基础性原则的情况下，你水工混凝土为背景，结合实际建立了一部分的监测结构，对以往的技术理论进行了完善。

参考文献：

[1]周洋.基于光纤光栅分布式传感网络的静冰压力在线监测系统研究[D].山西:太原理工大学,2014.DOI:10.7666/d.Y2692466.

[2]马磊磊.基于光纤光栅传感的水工混凝土结构健康监控系统研究[D].河南:郑州大学,2012.DOI:10.7666/d.y2103160.

[3]南秋明,刘德力,梁磊.FBG传感器在水下结构工程中的应用[J].武汉化工学院学报,2006,28(3):25-28.DOI:10.3969/j.issn.1674-2869.2006.03.007.

[4]杨庚鑫,张林,朱鸿鹄,等.光纤光栅传感监测在拱坝地质力学模型试验中的应用研究[C].//第8次全国岩石力学与工程试验及测试技术学术交流会论文集.2012:358-363.