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水利工程论文-分布式光纤监测技术在我国的发展.doc

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水利工程论文-分布式光纤监测技术在我国的发展.doc

水利工程论文分布式光纤监测技术在我国的发展摘要本文简述了分布式光纤监测技术在我国大坝安全监测中的应用情况详细阐述了两类分布式光纤监测系统的原理、主要特点及性能对今后分布式光纤监测技术的发展作了展望。关键词分布式监测光纤1、我国大坝分布式光纤监测技术应用概况20世纪70年代,光纤监测技术伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来。与传统的监测技术相比,光纤监测技术有一系列独特的优点(1)光纤传感器的光信号作为载体,光纤为媒质,光纤的纤芯材料为二氧化硅,因此,该传感器具有耐腐蚀,抗电磁干扰,防雷击等特点,属本质安全。(2)光纤本身轻细纤柔,光纤传感器的体积小,重量轻,不仅便于布设安装,而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小,能实现无损埋设。(3)灵敏度高,可靠性好,使用寿命长。分布式光纤监测技术除了具有以上的特点外,还具有以下二个显著的优点(1)可以准确的测出光纤沿线任一点的监测量,信息量大,成果直观。(2)光纤既作为传感器,又作为传输介质,结构简单,不仅方便施工,潜在故障大大低于传统技术,可维护性强,而且性能价格比好。我国从20世纪90年代后期在新疆石门子水库首次利用分布式光纤监测技术测量碾压砼拱坝温度以来,至今已有多个工程应用,并且,我国已有专门从事分布式光纤监测仪器设备制造厂宁波振东光电有限公司,发展极为迅速。由于水电水利工程中有许多物理场需要监测,如温度场、应力场、位移场、渗流场,等等。以往采用单点监测方法,测点少,成果不直观,需要通过分析才能最终了解场的情况,这种传统的单点监测方法不仅费工、费时、费钱,而且效果也不理想。而如果采用分布式光纤监测技术就可以准确地测定光纤沿线任一点上的温度、应力和位移,信息量大,成果直观。如果将光纤按一定的网络铺设,可实现对大坝安全的全方位监测,可以克服传统点式监测容易漏测和渗流难以定位的弊端,极大提高安全监测的有效性,如俄罗斯萨扬.舒申斯克重力拱坝,内部仪器埋设达2500多支,竟未测出坝基长达486m的水平缝,直至该缝向坝内延伸20余米,引起廊道漏水才被发觉,这充分说明点式监测的局限性,因此,分布式光纤监测技术倍受青睐。从监测内容看,当前我国应用大致可分为四类。第一类是温度监测。如设置于新疆石门子碾压砼拱坝内的分布式光纤温度监测系统,设置于三峡大坝内的分布式测温系统,设置于广东长调水电站砼面板的温度监测系统,等等。由于分布式光纤监测测点多,信息量大,都获得了较好的监测成果,较全面地反映了大坝温度场的分布情况。第二类是渗流定位监测。如设置于广东长调水电站面板周边缝的分布式光纤温度渗流监测系统。水库蓄水期间,即发现周边缝有几处渗漏点,对渗漏定位相当有效。第三类是位移和随机裂缝监测。如设置于隔河岩电站水库覃家田滑坡中的螺旋型分布式光纤位移监测系统,设置于湖北古洞口面板堆石坝面板上的随机裂缝光纤自诊断系统。由于单模光纤抗拉强度不高,能测随机裂缝的缝宽不大,当裂缝大于2mm时,光纤易被拉断。因此,对随机裂缝的监测生命期尚不长。第四类是裂缝监测。如设置于古洞口面板堆石坝周边缝面板间缝的准分布式光纤测缝计监测系统。通过监测,也获得了光纤测缝计埋设处缝宽变化的较好效果。当前,在建和拟建的水电水利工程,如索风营水电站、景洪水电站、三板溪水电站、水布垭水电站、坦肯水电站、锦屏一级水电站、瀑布沟水电站、拉西瓦水电站等等,在大坝安全监测中,都正在或计划采用分布式光纤监测系统。分布式光纤监测技术在碾压混凝土坝的应用发展较快,继新疆石门子碾压混凝土拱坝后,索风营碾压混凝土重力坝,景洪碾压混凝土重力坝都已经和准备应用。对碾压混凝土坝,分布式光纤监测具有较大的应用优势,因为它对施工干扰小,它既具有监测温度场的功能,又兼有对碾压层面进行渗流定位监测的功能。从目前应用情况来看,光纤网络布置有二种形式。一种是平面网络形式,光纤连续地沿坝体横断面自下而上作蛇形布置另一种是空间网络形式,取某坝段作监测对象,光纤自下而上连续地沿水平截面从左至右或从右至左作蛇形布置。空间网络布置不仅可以监测多个横断面的温度场,了解施工期和运行期坝体温度空间分布和变化情况,而且可以对碾压层面进行渗流定位监测。2、两种分布式光纤监测系统分布式光纤监测系统其实是分布调制的是光纤传感系统。所谓分布调制,就是沿光纤传输路径上的外界信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断调制(传感),在光纤中形成调制信息谱带,并通过独特的检测技术,介调调制信号谱带,从而获得外界场信号的大小及空间分布。因此,分布式光纤监测系统通常由激光光源,传感光纤(缆)和检测单元组成,是一种自动化的监测系统。按照调制方式的不同,分布式光纤监测系统分为分布式传光型光纤监测系统和分布式传感型光纤监测系统或准分布式光纤监测系统和分布式光纤监测系统。2.1分布式传光型准分布式光纤监测系统分布式传光型光纤监测系统的特点是将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上,通过寻址、介调检测出被测量的大小。分布式传光型监测系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统,故又称准分布式光纤监测系统或非本征型分布式光纤监测系统。光纤总线仅起传光作用,不起传感作用。根据寻址方式不同,分布式传光型光纤监测系统可分为时分复用、波分复用、频分复用、偏分复用和空分复用等几类。其中,时分复用、波分复用和空分复用技术较成熟,复用的点数较多。1、时分复用时分复用靠耦合于同一根光纤上的传感器之间的光程差,即光纤对光波的延迟效应来寻址。当一脉宽小于光纤总线上相邻传感器之间的传输时间的光脉冲自光纤总线输入端注入时,由于光纤总线上各传感器距光脉冲发射端的距离不同,在光纤总线的终端(或始端)将会接收到许多光脉冲,其中每一个光脉冲对应光纤总线上的一个传感器,光脉冲的延时即反应传感器在光纤总线上的地址,光脉冲的幅度或波长的变化即反应该点被测量的大小。在这里,注入的光脉冲越窄,传感器在光纤总线上的允许间距越小,可耦合的传感器越多,但是,对介调系统的要求越苛刻。2、波分复用波分复用是通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长来寻址。当光源发出的连续宽带光(经光波长编码)注入光纤总线时,在光纤传感器与监测量发生耦合作用,对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光,并沿原传输光纤返回,其余宽带光则直接透射过去继续前进,遇到第2个光纤传感器,又有选择地反射回相应的一个窄带光。由于各传感器的特征波长不同,通过滤波/解码系统即可求出被测信号的大小和位置。该法由于一些实际部件的限制,总线上允许的传感器数目不多,一般为812个。3、频分复用频分复用是将多个光源调制在不同的频率上,经过各分立的传感器汇集在一根或多根光纤总线上,每个传感器的信息即包含在总线信号中的对应频率分量上。采用光源强度调制的频分复用技术可用于光强调制型传感器,采用光源光频调制的频分复用技术可以用于光相位调制型传感器。4、空分复用空分复用是将各传感器的接收光纤的终端按空间位置编码,通过扫描机构控制光开关选址。这时,开关网络应合理布置,信道间隔应选择合适,以保证在某一时刻单光源仅与一个传感器通道相连。空分复用的优点是能够准确地进行空间选址,实际复用的传感器不能太多,以少于10个为佳。目前国内北京品傲光电科技有限公司和武汉理工大学研制的准分布式光纤监测系统都是采用了光纤光栅传感器,传感信号为波长调制,系统采用波分复用技术。三峡大学研制了由光纤裂缝计和光纤测缝计智能分析仪组成的准分布式光纤监测系统,采用的是根据光强调制的测缝计,询址采用的是时分复用技术。准分布式光纤监测系统通过将多个相同类型或不同类型的传感在一条光纤上串接复用,减少了传输线路,方便了施工,大大简化了线路的布设。并且,可以实现多点同时测量,避免了以往逐点测量不同步的弊端。但是,准分布式光纤监测系统存在如下不足(1)由于分布式传光型光纤监测系统是通过一条光纤将若干个光纤传感器串接而成,系统的光功率损耗较大,因此,一条光纤只能接入有限的光纤传感

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