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        分布式光纖傳感:大型基礎設施和地質災害的感知神經網絡

        發布日期:2017-10-28 查看:0 分享

        我國大型基礎設施體量排在世界前列,例如:公路橋梁78萬座,鐵路橋梁7萬座,均為世界第一;高速公路總里程超過13萬公里,為世界第一;油氣管道超過12萬公里。


        然而,大型基礎設施在長期服役過程中長期受到外力和環境侵蝕,極有可能發生災害,從而造成嚴重的安全事故和經濟損失。同時,我國是世界上地質災害多發國家之一,地質災害種類多、面積廣、活動頻次高、危害程度大。例如,2015年12月20日,深圳市發生渣土堆山滑坡事故,導致74人死亡,直接經濟損失近10億元人民幣。


        為避免人員傷亡、減小經濟損失,需要對大型基礎設施和各種地質災害進行監測。然而,大型基礎設施如公路、隧道、大型橋梁、油氣管線、電力線等,空間尺寸長,地質災害分布面積廣。


        以電阻式應變片和光纖光柵為主的點式傳感器只能測量有限的離散點,無法實現待測物的全空間測量(如圖1)。

         

        分布式布里淵光纖傳感可以實現在空間上的連續測量,具有測量距離長、定位精度高等特點,測量物理量包括溫度和應變(如圖2)。

         

        與傳統傳感技術相比,分布式光纖傳感器具有重量輕、抗惡劣環境、抗電磁干擾、在傳感點無需用電這些光纖傳感器所共有的優點,此外,它可實現多達百萬個監測測點和長達上百公里的超長距離分布式測量。


        應用領域包括:石油天然氣管道和存儲罐的溫度和變形監測,海底或陸地高壓電纜/光纜的溫度和應變監測,地質災害(比如山體滑坡、泥石流等)的分布式監測,橋梁、大壩和隧道等大型建筑物的結構健康監測,飛行器和航天器的飛行狀態監測以及火災報警等。


        技術

        原理


        分布式光纖傳感根據光的散射方式可分為:拉曼散射型、瑞利散射型和布里淵散射型。


        ●基于拉曼散射的分布式光纖傳感,斯托克斯和反斯托克斯光強比與溫度呈線性關系,可用于溫度測量和火災報警,但是傳感距離(~20 km)和空間分辨率(~1 m)有限。


        基于瑞利散射的分布式光纖傳感主要用于光纖斷點和損耗檢測,近年來發展的相位光時域反射計可以實現分布式振動測量,主要用于光纖周界安防。


        基于布里淵散射的分布式光纖傳感,散射光和入射光之間的頻率差(布里淵頻移)與光纖溫度和應變呈線性關系,使用通信用單模光纖作為傳感器,可以實現超長距離長(百公里)、超高空間分辨率高(厘米)和高精度的分布式應變和溫度測量,特別適合大型基礎設施、泥石流和山體滑坡等地質災害監測。


        技術

        優勢


        傳統的布里淵光纖傳感器由于受到10 ns聲子壽命的限制,空間分辨率較低(約為1 m),使之無法應用于對空間分辨率要求較高的高端監測領域。


        針對這一問題,我們提出并發展了差分脈沖對布里淵光時域分析技術(DPP-BOTDA),如圖3所示。該技術使用脈寬大于聲子壽命的一對脈沖進行差分解析,有效克服了傳統窄脈沖導致的信噪比劣化和光譜展寬的問題,突破了聲子壽命對傳統布里淵傳感在空間分辨率上的限制,實現了2 cm的超高空間分辨率。


        在DPP-BOTDA結構基礎上,我們又提出了采用新型負色散光纖來抑制調制不穩定性,同時采用時分復用和頻分復用技術實現空間分割測量,降低抽運脈沖光的抽空效應,從而成功地將傳感距離顯著提高至150 km。


        為了驗證系統的空間分辨率,我們對一段長度為3.2 m單模光纖應變施加區域分別為2 cm、5 cm、10 cm、20 cm和30 cm(熔接不同光纖來模擬應變),測得的應變分布如圖4所示。測量結果清晰準確地反應出不同應變區域的長度,三維信號更加直觀反應出測量結果與實際應變區域的一一對應。

        哈爾濱工業大學董永康教授課題組和鞍山??乒怆娂夹g有限公司最新研制的高性能分布式布里淵光纖傳感儀(產品實物圖見圖5),工作原理基于DPP-BOTDA,可實現長距離、高空間分辨率和高精度的分布式光纖應變和溫度傳感,其優勢在于:


        • 空間分辨率:2 cm

        • 傳感距離:100 km

        • 測量物理量:應變和溫度

        • 應變精度:10 με

        • 溫度精度:0.5℃

        • 測量時間:2 秒~幾分鐘

        應用案例一:廈門海滄大橋


        為滿足大型橋梁結構安全診斷和評價的重大需求,在國家863計劃“大型橋隧空間分布式監測與安全診斷評價技術”項目的支持下,我們開展了基于分布式布里淵光纖傳感技術的大型懸索橋結構健康監測研究。


        本項目的監測對象是廈門海滄大橋。它是亞洲第一、世界第二(僅次于丹麥)的三跨連續全漂浮鋼箱梁懸索橋。截止2015年,海滄大橋已服役15年,保證其結構安全是繼續服役的首要條件。


        為檢測橋梁結構的工作狀態和使用能力,2015年11月本項目對其開展了承載力荷載試驗和線形測量,檢驗橋梁結構的安全程度。


        采用本課題組自主研發的分布式布里淵光纖傳感分析儀對各種工況下的大橋整體應變分布進行了測量,成功獲取了千米級大跨度懸索橋全尺度應變連續分布結果,可以準確判斷車輛荷載的位置信息以及由荷載引起的橋梁應變分布,為橋梁安全評估提供有力依據。

        應用案例二:青藏高速公路


        規劃中的青藏高速公路將穿越高原腹地多年凍土區,如何解決由凍融引起的路基沉降病害問題尤為突出。為了建立青藏高原高速公路災變監控與預警預報體系,在國家科技支撐計劃“高海拔高寒地區工程構筑物災變監控體系與預警預報技術”課題資助下,我們提出采用分布式光纖傳感監測方案建立公路災變監測與病害預警關鍵技術,在我國首條高海拔高寒多年凍土高速公路——青海省共和至玉樹高速公路建立示范工程。


        傳感器符合高海拔多年凍土區的環境要求,保證了監測系統的耐久性和可靠性,測試結果可以全面反映出試驗段的溫度、應變信息,可對試驗段路基沉降病害形成有效的監測網絡,為下一步國家建設京藏高速公路提供有力的技術保障。

         

         

        采用分布式光纖傳感技術實現長距離、高空間分辨率的溫度和應變實時監測,可以像神經網絡一樣感知待測物的健康狀況,從而對結構變形、泄漏以及火災等災害實現早期預警和實時探測。

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