一种用于混凝土坝体温度测量的激光干涉仪

　　混凝土坝内温度场的测量〔1〕,不管是在施工期还是运行期都具有十分重要的意义。在施工期间,必须对混凝土坝采取措施进行温度控制,以降低水泥 水化引起的坝体温度,降低坝体最高温度值,减少坝体内温度梯度,防止裂缝发生。对于较大型的混凝土坝,除采用降低水泥发热量、骨料及水泥的预冷、加冰拌 合、自然散热等温控措施外,还要采用水管冷却和分缝分块等方法对坝体温度场及温度应力进行控制。为了了解温控措施的效果及把握接缝灌浆的合适时机,必须对 坝体温度场进行监测。在运行期间,温度荷载是引起坝体变形和应力变化的主要荷载,因此对坝体运行期间温度场的监测也是安全监测的重要内容之一。

　　传统的常用坝体温度测量一般使用点式温度计,以热电偶、热电阻式温度计为主。然而就工程实际应用而言,传统的温度计只能是一只温度计测一个点的 温度,并且在铺设时易毁坏,使用寿命短,更换困难,对工作环境要求严,抗电磁干扰能力差,不耐化学腐蚀。而且用传统的温度计,只能测量坝内个别点的温度 值,很难精确把握整个场内温度的变化。针对传统温度计及温度传感器在混凝土坝体温度测量中的缺陷,本文提出了一种利用激光光纤干涉法测量混凝土坝体温度的 新型传感器。该系统利用激光干涉与光纤结合对坝体温度远距离多点测量,克服了传统传感器单点测量、测温滞后、容易与被测介质发生化学反应、易受电磁干扰等 缺点,实现了对坝体温度的高精度测量。

　　1　测量原理

　　图1所示为温度测量原理图〔2〕。它是利用温度变化导致光纤输出相位变化来进行检测的,属于相位调制型,原理采用马赫-泽德尔光纤干涉温度传感 原理。干涉仪工作时,激光器1发出的激光束经聚焦透镜2进入耦合器3中,再由耦合器3分别送入长度基本相同的单模测量光纤5和参考光纤4中,将两根光纤的 输出端用耦合器6汇合在一起,则两束光产生干涉,从而出现干涉条纹。当测量臂光纤受到温度场的作用后,产生相位移的变化,从而引起干涉条纹的移动。显然干 涉条纹移动的数量将反映出被测温度的变化。光电探测器7接收干涉条纹的变化信息,并输入到适当的数据处理系统,最后得到测量结果。其中测量臂光纤可以有多 条,以实现多点测量。

　　2　系统结构优化设计

　　2.1　光源的选择及其与光纤的耦合

　　激光的高度时间相干性,使它具有其他光源无法比拟的相干长度(可达几公里至几十公里);激光的高度相干性,使它可以有很宽的空间相干区域;激光 高度集中的能量密度,使干涉条纹有足够的亮度。因此激光器已成为干涉测试的理想光源。而He-Ne激光器与其它激光器相比,它的光学均匀性、单色性、相干 性和稳定性等都较好。根据测量的需要这里选用J2513型单频He-Ne型激光器作光源,它的中心波长是632 nm,输出光功率P为2 mW。耦合器采用上海23所生产的FC型的1×2光纤耦合器与测量臂和参考臂耦合,该耦合器的插入损耗为0.02 dB,反向隔离比大于45 dB。