基于分布式传感光纤的隧道监控方案(大纲)

1、基于分布式传感光纤的隧道监控方案（大纲）目录1. 概述22. 光纤传感系统22.1 长距离的连续性监测32.1.1 植入式32.1.2 附着式42.2 随机点的参数监测42.3网式的全方位监测52.4具体方案53. 数据采集系统64. 传输与通讯系统75. 实时监控中心管理系统71. 概述隧道的监控贯穿整个施工阶段和运营阶段，施工中的监控为评价设计方案、 确定支护结构型式、及时发现危险情况提供依据；隧道运营阶段的监控为了保持测量的连续性，长期监视及评价隧道的安全性，以及为科学研究提供必要的数据。隧道的监控是保障隧道施工运营安全至关重要的一环。本方案拟采用的流程图如下：(1). 现场自动采集系统

2、使用分布式传感光纤技术，实时、连续的监测待测物理量，包括传感方式的选择和传感网络在隧道结构中的布置方案，并将信号进行初步处理。(2). 传输系统，将采集并处理过的数据传输到实时监测控制系统。(3). 实时监测控制系统，内部包括隧道监测数据分析显示、隧道安全评估分析结果显示、数据库管理。利用具备诊断功能的软硬件对接受到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构的安全状况做出评估，如发现异常，发出报警信息。2.光纤传感系统现场监测终端系统主要有传感器和自动采集系统组成，利用先进的传感技术，实现不同形式的物理量转换为电信号，进而实现数字化的自动采集。本方案的现场采集系统采用分布式传感技术。光

3、纤传感器与传统的差动电阻式和钢弦式传感器相比，(1).传感器采用光信号作为载体，光纤的纤芯材料为二氧化硅，该传感器具有抗电磁干扰，防雷击，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点；(2).光纤传感器体积小，便于安装，对布设部位的影响也小；(3).光纤本身即作为传感体又作为传输介质，容易实现长距离、全方位监测。分布式光纤传感技术除了具有以上的特点外，其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、应变、温度、振动和损伤等信息。2.1 长距离的连续性监测分布式光纤传感技术的优点在于一根光纤传感器替代上千个点式传感器。目前单根光纤可达1000米以上，在1000米范围内大约有20000个测点；几根光纤

4、还可以串联起来形成一条光路使用，PPP-BOTDA技术的最大量程可超过25km。传统的传感技术如单点式，性价比不高，效率低下；准分布式系统测量精度较高、可测量参数多、信号处理较简单、但不连续。而分布式系统空间分辨率高、能够实现空间上连续检测、系统利用率高。应用分布式传感光纤对隧道进行监测，其传感光纤可以植入结构物里面，也可粘贴在结构物表面。2.1.1 植入式在实际工程中可能有两种布设方式：采用紧套光缆直接布置于混凝土垫层内；采用铝塑管等对光缆进行保护后布置于混凝土垫层内。但是由于光纤脆弱，可能因为由于施工受到损伤，甚至折断，故实际工程中，应合理地设计光纤的保护方案与设计光纤的布设方案。这时也可

5、以考虑使用光纤复合智能筋。光纤复合智能筋是将光纤与FRP材料复合成筋(将传感光纤布置到FRP材料当中)，兼具受力与传感特性、集结构材料和功能材料于一体，具有工程布设简单、量程大、耐久性好、精度高、自动化等突出优点。分布式光纤智能筋布置（内置式）示意图如下：2.1.2 附着式一般有三种粘贴方式：一是定点粘着，二是全面粘着，三是形定点粘着。全面粘着是将光纤完全贴附在墙面上主要是针对隧道的整体变形；定点粘着是将光纤每隔一定距离确定一个固定点粘贴在墙面上以此来检测隧道局部接缝处的变形；另外，为了监测到隧道裂缝处的细微变形在裂缝明显处按照形定点粘着方式布置光纤。全面粘着与定点粘着的示意图如下：2.2 随

6、机点的参数监测监测隧道任一点的物理参数，若产用传统的点式传感器不仅浪费材料，操作困难，而且实际上无法实现。分布式光纤传感方式实现了大范围的分布式测量，可以在空间上连续检测每一个点，空间分辨率可以达到10cm，要大于相应的准分布式传感如光栅光纤的分辨率。一次测量即可准确获得光纤沿线各点的应力、应变、温度的等信息。另外，分布式传感还可以通过积分的方式，得到整个构件变形曲线等数据。 2.3网式的全方位监测自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，如果将光纤纵横交错铺设成网状，可以动态全方位的对任意断面的应力、 应变、 温度、 裂缝进行测量，即可构成具备一

7、定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测成功率。在隧道的拱圈、侧墙、仰拱组成的横向和隧道的纵向的重要部位相应布置传感光纤，获取整个隧道的整体情况，又因为是分布式光纤传感，还可以获取具体到隧道某一点的物理参数，这样从点到面形成了网式全方位测量。另外，分布式光纤传感器应铺设在结构易出现损伤或者结构的应变变化对外部的环境因素较敏感的部位以获得良好的健康监测结果。2.4具体方案光纤的布置方案可以根据隧道的具体截面形状（圆形隧道、 椭圆形隧道、 矩形隧道、 双孔隧道等）、 所处的地质条件（土质隧道、 岩质隧道等）等方面来做相应的分布式传感光纤设计。例如，可以使用智

8、能锚杆测量隧道岩层和喷射混凝土的应力、应变和裂缝等参数。另外，还可以根据隧道的具体情况采用不同的分布式光纤传感技术。依据信号的性质，分布式传感技术可分为4类：利用后向瑞利散射的传感技术；利用拉曼效应的传感技术；利用布里渊效应的传感技术；利用前向传输模耦合的传感技术。其中用拉曼效应的传感技术可以分为利用自发拉曼散射的分布式温度传感技术，利用受激拉曼效应的分布式应力传感技术；布里渊效应的传感技术也可以分为利用自发布里渊散射的分布式光纤温度、应变传感技术，利用受激布里渊效应的分布式温度、应变传感技术该技术。找出应变和温度的关系，通过一定的计算，提出应变之中的温度效应实现温度补偿。不同原理的分布式传感

9、技术的空间分辨率，配套设备的成本不一样，光纤的内置式或者粘贴式都要根据隧道的具体来选择。下图为分布式光纤智能筋拟在某隧道的布置方式：3. 数据采集系统分布式光纤传感技术的关键在于光纤内特定位置信息的提取方法及提取精度。其中空间分辨率与采样率有关，例如基于光时域反射技术的分布式光纤传感器，当空间分辨率达到1M时，每个采样点以16bit计算，每秒钟形成的数据流多达190MB。数据采集系统包括信号调理、A/D转换、FPGA、PCI接口及触发信号整形等几个部分。信号流程如下：触发信号到来，在系统时钟的上升沿，FPGA接收A/D转换芯片输出的数据并存人双口RAM中对应的地址，空间上的点全部采集完成为一个

10、循环；下一触发信号到来时，A/D转换的数据与在时钟的下降沿取出的上个循环采集到的空间同一点数据相加，并在下一个时钟上升沿存人原地址；当完成个循环(即数据平均N次)后，PCI接口芯片的本地总线发出中断信号请求传输数据，同时把数据存储路径切换到另一个双口RAM。4. 传输与通讯系统数据的传输可以通过有线和无线两种形式。例如，山岭隧道实时监测自动采集系统大多分布在野外，比较分散，采用有线通信方式有着很大的局限性。一方面，采用有线通信的方式成本高，维护难，不经济。另一方面，采用的有线通信的方式，整个通信网的构结单一，不易扩展。因此，我们决定采用无线通信方式。无线通信方式的优势在于可以节省大量的导线材料及人工费用，免除网络的日常修改和维护工作，达到环保、节能、资源最大共享的目的，最大限度地节省投资。此外，采用一些先进的无线通信技术，不但可以很好的达到远程监控的目的，还可以实现移动监控。无线传输可以使用GPRS网络，还可采用GSM短消息通讯方式作为GPRS通讯万一中断后的备用手段。在正常情况下，无线监控系统采用GPRS通讯方式，当通讯万一中断后，立即切换成GSM短消息通讯方式。另外也可以使用或者WEB网传输数据。