光纤传感技术在水利安全监测中的应用

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  摘要:光纤传感技术是在20世纪80年代兴起的一种新兴的光学技术。该技术以光纤传感器为核心,将传感、信息传输合为一体,并且具有耐久性好、数据精度高、抗干扰性强、体积轻巧等多重优点,广泛应用于水利工程等恶劣环境下的物理量测量,为水利工程的安全监测提供了一条可靠途径。本文通过对光纤传感技术在水利工程中的应用现状进行分析,为水利工程相关技术人员掌握光纤技术的应用情况提供了参考。
  关键词:分布式光纤测温;拉曼散射;智能监测系统;水利安全监测
  随着国家不断加大大型基础建设的投入力度,越来越多的水利工程建成并投入使用。因为外界环境的影响和内在物理特性的动态异变,这些水利工程随时存在安全隐患,一旦事故发生,将造成难以挽回的重大经济损失和社会影响。因此,对水利工程的远距离实时安全监测是十分必要的。传统的环境监测大都是利用电子传感器来完成的,但是这种监测手段本身有一定的局限性,比如测量精度不高,传感器布线及安装困难,使用寿命短,工作环境受限制等,所以寻找一种方便、快捷、高效的监测系统对实际工程有着重要意义。在这样的背景下光纤传感技术快速发展起来。
  一、光纤传感技术简介
  光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区,光在调制区内与外界的温度、压力、位移、流速等参数相互作用,使光波的振幅、波长、相位、强度等发生改变,成为调制后的信号光,再经出射光纤送入光探测器、解调器,通过对光波的解析即可获得被测参数,目前,光纤传感器多用于应变与温度参量的测量,如果需要监测其他环境因素,需要借助特殊装置将其变化转化为应变或温度的变化实现测量。因为光纤传感器易与光纤网络系统连接,损耗小,所以当监测对象为桥梁、大坝等大型建筑物时,多采用分布式光纤传感技术构成传感系统。
  1.1基于光复用技术的光纤光栅分布式测温技术
  FBG传感器是应用最广的光纤光栅传感器。在紫外线的照射下,掺锗或掺铒的光纤折射率会发生永久性改变。利用这一原理,可以将光栅直接“写入”光纤中,形成光纤光栅。应变和温度的变化会对FBG的有效折射率和栅距产生影响,从而使得FBG的特征波长发生偏移。当入射光在光栅中传输的时候,与特征波长一致的光将被反射回来,其他波长的光顺利通过光栅,通过分析反射光的波长,可以测量应变和温度。FBG特殊之处在于很容易在同一根光纡中连续“写入”多个不同栅距的光纤光栅,这样可以同時测定若干部位相应的物理量及其变化。例如将光纤埋人工程结构的内部或贴装在其表面,就可以实现温度、压力、应变等多点监测,实现分布式传感测量。FBG传感器感应信息用波长编码,不受光源功率的波动和光纤损耗的影响,在极端天气状态下(如洪水期间)也能正常工作,所以既可以应用于水库以及大坝的日常安全监测,也可以应用于汛期防洪预警。
  1.2基于光散射的分布式光纤测温技术
  光散射型分布式光纤测温技术是用激光发射器,向所连接的探测光缆发送高功率的激光脉冲.由于光纤介质的不均匀性,光在光纤中发生散射,其后向散射光有3种组分:瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光。在外界环境因素的影响下,光纤中的后向散射光光强会发生变化,通过光时域反射技术或光频域反射技术分析这一参数,可得出温度的空间分布规律。目前最为成熟的是基于拉曼散射的测温技术。拉曼散射光含有两种成分:斯托克斯光和反斯托克斯光。其中斯托克斯光与温度无关,而反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化。直接测量拉曼反射光中两种光成分之比,测量的数值与绝对值无关,即使光纤随时间推移而老化,光损耗增加,仍可以保证温度测量的精度。
  1.3光纤传感器的优点
  与传统的传感器相比,光纤传感器有很多优点:①光波不产生也不怕电磁干扰,测量对象广泛,适于多种物理量的观测。②光纤本身不带电,体积小,质量轻,易弯曲,不影响埋设点物性。③工作频率宽,动态范围大,传输线损耗低,传输距离远,光纤传感的监测距离最远可达80km以上。④耐水性、电绝缘性好,耐腐蚀,抗电磁干扰,特别适合在易燃易爆及强电磁干扰等恶劣环境下使用。这些优点使得光纤传感器技术有着非常广阔的发展前景。
  1.4分布式光纤传感技术原理
  分布式光纤传感技术(Distributedopticalfibersensingtechnol-ogy)是利用光波在光纤中传输的特性,可沿光纤长度方向连续的传感被测量(如温度、压力、应力和应变等);传输过程中,光纤既是传感介质,又是被测量的传输介质,可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量,同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。分布式光纤传感器(Distibutedfibersensor)不仅具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点,而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息。由于分布式光纤传感器具有其它传感技术无法比拟的优点,因此,成为光纤传感技术研究领域的热点之--。激光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中含有各种杂质,导致激光和光纤分子出现相互作用,从而产生瑞利、拉曼和布里渊这三种散射光,依据所监测信号的不同,目前对分布式光纤传感技术的研究主要集中在基于瑞利(Rayleigh)散射的分布式光纤传感技术、基于拉曼(Raman)散射的分布式光纤传感技术、基于布里渊(Brillouin)散射的分布式光纤传感技术三个方面。
  二、光纤传感技术的研究进展
  2.1光纤光栅传感器
  光纤光栅传感器是目前国内研究的热点之一。FBG传感器具有灵敏度高,易构成分布式结构,在一根光纤内可实现多点测量。满足“智能结构”对传感器的要求,可对大型构件进行实时安全监测;也可以代替其他类型结构的光纤传感器,用于化学、压力和加速度传感中。但是温度、应力交叉敏感是其实用化的最大限制。   2.2阵列复用传感系统
  列阵复用传感系统将单点光纤传感器阵列化,实现空间多点的同时或分时传感,也称为准分布式系统。目前,应用最为广泛的是光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统。阵列化光纤传感的优点是可以实现大范围、长距离多点传感,是大规模光纤传感的一个重要发展趋势。
  2.3分布式光纤传感系统
  分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量,同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息,可以实现长距离、大范围的连续、长期传感。
  三、智能光纤监测系统
  3.1智能光纤监测系统的硬件构成
  智能光纤监测系统的硬件结构主要包括:光纤传感器信息采集系统、数据传输系统、数据解调系统、计算机软件应用平台(中心监测控制端)。水利工程施工过程中,在被监测关键部位的钢筋混凝土结构中埋入光纤传感器。当监测点的被测参数发生突变或存在安全隐患时,光纤传感器会迅速将感应到的参数变化转换成数字信号,经数据传输系统送到计算机软件应用平台,用中央处理器进行智能分析和远程控制。在实际铺设过程中,光纤传感器的接入节点可能发生损坏、断裂。为了防止出现某一支路的传感器与系统分离,而导致整个系统失效的现象,铺设时大多采取多路复用技术,组成环形传感网络进行多路数据采集。这样即使某处节点出现损坏、断裂,也只会引起该监测点失效,而其他监测点的光纤传感器与系统仍能正常工作,大大提高了整个监测系统的可靠性。
  3.2智能光纤传感监测系统在大坝安全监测中的应用
  3.2.1温度监测
  工程中许多物理化学变化的发生都与温度相关,无论是施工过程中还是投入使用后,对工程内外部温度的监测都是必不可少的。基于拉曼散射原理,向光纤中注入脉冲光,其后向散射光中的反斯托克斯光的强度,受光纤沿线散射点温度的影响而改变,通过分析光强变化,便可得到温度场沿光纤的一维实时分布,其空间分辨率可精确到米。
  3.2.2渗漏监测
  由于大坝的渗漏会造成坝内局部温度异常,因此对渗漏的监测可采用监测坝内温度的方法,其原理与测温相同。在实际应用中,可在光缆中加设加热装置使温度变化更为明显,易于渗漏处的观察判断。
  3.2.3裂缝监测
  大多数钢筋混凝土结构是带裂缝工作的,如果裂缝超过允许宽度的限值就会引起渗水、钢筋锈蚀等问题,破坏混凝土结构的整体性和安全性。将传感光纤布置成与预期混凝土裂缝斜交并牢固粘贴,当光纤经过工程结构开裂处时,裂缝面处的光纤弯曲,与裂缝成一定角度,造成局部高光损耗。通过布里渊光时域分析仪,依据斜交光纤组的测试应变,可推算出穿过光纤的裂缝宽度,目前最小空间分辨率可达0.2m。
  四、水利工程中的应用
  4.1混凝土面板裂缝监测中的应用
  混凝土面板堆石坝是20世纪60年代提出的一种新坝型,由于其具有抗滑稳定性好,断面小、枢纽布置紧凑,抗震性能强,施工导流方便等优点,被广泛应用于坝工结构当中。但是由于该坝型的面板与堆石分别属于两种不同的材料,通常会在二者结合处出现裂缝,而裂缝的大小关乎工程的安全,如何准确监测到裂缝情况一直备受工程界关注。有些学者将光纤传感技术应用到面板裂缝监测中,通过对鱼跳电站等多个混凝士面板裂縫的监测,为提高在该方面的监测精度提供了难得的经验。
  4.2大坝混凝土结构温度场监测中的应用
  大体积混凝土温度应力一直是大坝工程关注的焦点,大坝温度场的准确监测无论在施工期还是运行期,都具有重要的意义。在施工期的监测可以减缓温度应力,防止出现温度裂缝;在运行期,通过温度监测可以了解大坝的变形情况、应力情况,对坝体的安全性做出合理评价。传统的监测方法或多或少有些不足,在三峡工程中采用了光纤传感测温,为大坝的健康诊断和安全运行提供了保障。
  4.3大坝裂缝预测和监测中的应用
  混凝土大坝裂缝的监测是评价安全性的重要指标.传统的监测方法只能够在裂缝出现以后来进行监测评价,此时对大坝已经造成了一定的损害。采用光纤传感技术可以对坝体内部的拉应力进行适时监测.掌握大坝的应力状况,指导坝体荷载分布,尽量避免不利工况,使得拉应力低于混凝土的抗拉强度.防止裂缝的产生。
  4.4土石坝渗漏监测方面的应用
  正常运行的土石坝渗流场主要由库水位、地下水、大气降水.等等因素影响,呈现出有规律的变化。而当挡水结构出现裂缝的时候,坝体的流量會逐渐增大,但是在初期由于变化不大很难及时发现。此时,坝体的渗流场却会发生很大的变化,传统监测技术很难准确反映渗流场的变化。利用光纤传感技术间接监测土体温度场的变化可及时找出渗漏点,通过思安江水库大坝的工程应用研究,发现该方法是可行的,为渗漏点的确定提供了一条新途径。
  4.5水工结构模型试验研究中的应用
  由于水利工程建设规模较大、投资较多,因此在前期总会进行小比尺的模型试验.为后续工程建设提供参考。传统模型试验借助应力、应变计来采集应力、变形,只能对比较关心的特殊点进行监测,而对其他部位的变化很难掌握。此外,常规方法对于随机出现的裂缝很难捕捉。近年来,一些学者将光纤传感技术运用到随机裂缝的捕捉方面,并且在四川沙牌碾压混凝土拱坝整体结构模型试验中得到成功应用。
  4.6智能大坝分布式光纤智能传感系统的构建
  智能传感器系统的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作,结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。智能大坝传感感知系统的构建需要解决智能传感监测模型、智能监测类型、大坝内部智能传感器布置设计原理,大坝人工智能集成技术等一系列的复杂问题;同时,在大坝现场还包括智能传感器系统的故障通信技术、诊断与程序技术等关键技术。智能传感器的优势,是能从过程中收集大量的信息以减少宕机时间及提高质量。智能传感器系统是一门现代综合技术,是当今世界正在迅速发展的高新技术,可以用来对大坝应力、变形、位移、温度、加速度、渗流、开合度等监测量进行智能传感监测,实时反馈各个物理量的变化规律,从而对大坝的施工、运行期的全过程、全生命周期控制、保证大坝长期安全稳定。
  结语:
  加强对光纤传感技术在水利安全监测中应用的研究分析,对于其良好应用效果的取得有着十分重要的意义,因此在今后的实践中,应该加强对光纤传感技术关键应用环节的重视程度,并注重其具体应用实施方案的可行性。
  参考文献
  [1]张研.光纤传感技术在水利工程的应用概述[J].山西建筑,2015(18):220-221.
  [2]朱鹏.光纤传感技术在水利安全监测中的应用[J].建筑工程技术与设计,2015(35):267-267.
  作者简介:毛永生(1974.03.)性别:男 民族:汉族 籍贯:青海省海东市 职称:工程师学历:大学本科 学位:无 主要研究方向:从事水利工程及水利工程安全监测方向的工作
  作者简介:王启贵(1988.07.) 性别:男 民族:汉族 籍贯:安徽省马鞍山市 职称:工程师 学历:硕士研究生 学位:硕士 主要研究方向:从事水利工程及岩土工程勘测方向的工作
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