分布式光纤监测系统在混凝土坝的研究与应用.pdf

第5 期 2 0 1 0年 1 2 月 水 利 信 息 化 髓 f e r Re s o ur c e s I nf o r ma t i z a t i on N O 5 De c ， 2 01 0 分布式光纤监测系统在混凝土坝的研究与应用 周柏兵 ，万永波 ，徐国龙 ，周克明 ( 1 水利部南京水利水文 自动化研究所，江苏南 京2 1 0 0 1 2 ： 2 中水顾问集团成都勘察设计研究院，四川成都6 1 0 0 7 2 ) 摘要：传统大坝坝体温度测量一般使用电类温度传感器，存在信息量少，难掌握坝体内部温度场的变化等问 题。为此，研究和论证适合测温的分布式光纤传感技术，并根据碾压混凝土坝温控监测的常用方法，结合先进 的分布式光纤传感技术在乐昌峡水利枢纽工程的应用，通过与常规温度监测系统热电偶的对比，着重讨论了分 布式光纤测温系统在碾压混凝土大坝温度测量中的可行性和先进性，同时展望分布式光纤温度监测技术在安全 监 测其他领 域的应 用前景 。 关键词：分布式；光纤监测系统；温度监测；传感技术；碾压混凝土坝 中图分类号：T V 6 4 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 4 9 4 0 5 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 0 3 2 0 5 0 前言 传 统大坝 坝体 温度测 量 一般使 用 电类 温度传 感 器 ，此类 传感器 对 工作 的环境要求 严 ，抗 干扰 能力 差 ，安装 复杂干 扰施 工 ，尤其是传 统 的温 度计信 息 量太少 ，很难 掌握 整个坝 体 内部温 度场 的变化 。鉴 于此 ，人 们不 断寻 求新技 术来解 决这些 问题 ，光纤 传感技术恰恰解决 了这一 问题 。 实现光 纤传 感测量 的技 术有 多种 ，经 过 比较 ， 在传感 器定位 精度 上 ，利 用拉曼 效应 分布式光 纤传 感系统 技术 定位误 差最 小 ，能实现真 正的分布 式温 度监测 。利用 拉曼 效应分 布式 光 传 感系统 是一种 比较适合于水 电大坝温度监测 的系统 。 1 分布式光纤传感技术的类型 1 1 利用后向瑞利散射的分布式光纤传感技术 瑞利 散射 是入射 光与 介质 中的微 观粒子 发生 弹 性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相 同。在利 用后 向瑞利 散射 的光纤传 感技术 中 ，一般 采用光时域反射 ( O T D R)结构来实现被测物理量的 空间定位 。 1 2 利用布里渊效应的分布式光纤传感技术 光通 过光 纤时 ，光子和 光 纤 中因 自发热运 动而 产生的声子会产生非弹性碰撞，发生 自发布里渊散 射 。温度 、应变 与 自发 布里渊 散射光 的功率 分别存 在 正、 反 比例 关系 ，并依据布 里渊 散射光 的频移 与 温度 和应 变 的变 化成正 比的试 验结 果提 出，通过求 解 功率 与频率变 化 的耦 合方程 可 实现 单根 光纤上温 度与应变 同时测量 。 1 3 利用拉曼效应的分布式光纤传感技术 光 通过光 纤 时，光子 和光 纤 中的光声 子会产 生 非弹性 碰撞 ，发生拉 曼散射 ，波 长大于入 射光 的为 斯托克斯光，波长小于入射光的为反斯托克斯光。 根据 拉曼散射 理论 ，在 自然 拉曼 散射条件下 ，2束反 射光的光强与温度有关，而且只与温度相关。 由于它在 温度 测量 上所 能达到 的测量 精度 、传 感长度 和空 间分辨 力高于 其它传 感技术 ， 目前得 到 广泛的关注 与研究 J 。 2 适用于温控监测 的分布式光纤传 感技术 的 比选论证 本文选 题 思路 旨在 寻 找适用 于大坝 安全监 测领 域的测量大坝建筑物温度 、应变等的新型光纤传感 技术 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 1 0 2 作者简介 ：周柏兵 ( 1 9 8 1 一)，男，四川南充人 ，硕士 ，从事光纤传感技 术和大坝 安全监测技术研究。 第5 期 周柏兵等：分布式光纤监测系统在混凝土坝的研究与应用 3 3 当激光 入射 到光 纤 中，它在 光纤 中 向前传 输 的 同时不断产 生后 向散射 光波 ，这些 后 向散射光 波 中 除 了有 1 条 与入射 光频 率相 同 的中心谱 线之外 ，在 其 2侧 ，还 存在 2条谱 线 。中心谱 线为瑞 利散 射谱 线 ，低频一侧频 率斯托克斯线 ( s t o c k s )，高频一侧 频率 为反斯 托克斯线 ( An t i s t o k e s )。后 向散射 光光 谱组成示意图如图 1 所 示。 ， 一 诸 “反斯托克斯，厂、 J 拉曼光谱 八 j 波长 n m 图 1 后 向散射光光谱组成示意图 2 1 瑞 利散 射 ( O T D R ) 虽然 瑞利 散射 是散射 光谱 中最 强 的组成 部分 ， 但 由于瑞 利散射 光对温 度极 不敏 感 ，因此不 能用 于 温 度传感 测量 。通常 只用来 检查 光纤 的完整 性 ，也 就 是光纤通信上常用的 O T D R测试仪 。 2 2 布里渊散射 ( B O T D R ) 对温 度和应 力敏 感 ，并 能产生 1 个相 对较 强 的 信 号 。但布 里渊 与拉 曼散射 光在光 谱 中的频率 非常 接近 。所 以对布 里渊散 射光 的监测 非常 困难 ，需要 借助特 殊 的激光 光源和 过滤 仪器 ，成本 昂贵 ，且布 里渊 散射光 受温度 和应 力双 重因素 互相制 约 ，因此 也不适用 于温度传感测量 。 2 3 拉曼散射光 ( R O T D R ) 拉 曼散 射 光 对 温 度 最 为 敏 感 ， 而 且 具 有 足 够 的强度适用于温度测量。拉 曼散射信号被分裂成 的 2个 “ 谱 带 ” ( 斯 托 克斯 和 反 斯 托 克 斯 )所 取 代 ，其 波 长 较 长 的 斯托 克斯 谱 带 对 温 度 的 反 应 迟 钝 ，而波 长较 短 的反斯托 克斯谱 带 ，对 温度 表现 出 很 强 的敏 感度 。这 2种成分 的光 强度 与温度 变化成 比例 2 】 0 因此可见，适用于温度单一参数监测的分布式 传 感技术 为利用 拉曼 散射 的技术 ，它具 有 良好 的现 场适 应性 、温度 自补偿 、远 程分布 式测 量等优 点 ， 能对 光纤 测量 的温 度场 进行 分布式 的连 续监测 ，是 实现实时测量空间分布温度 的一种新技术 。 利用光时域反射原理 ( O T DR)、激光拉曼光 谱原 理 ，经 波分 复用 器 、光 电检 测器 等对采 集 的温 度 信 息进 行 放 大 并将 温 度 信 息 实 时地 计 算 出 来 ， 研 究后 研制 成实用 的 DT S ( d i s t r i b u t e d t e mp e r a t u r e s e n s i n g )光纤分布式温 度监测系统 。 3 D T S光纤分布式温度监测系统研究 3 1 D T S基本 技术 原理 DT S分布 式温度 传感 技术 是 以光 时域 反射原 理 为基础 ，通 过主机 中的高功 率 的激 光 发射器 向所连 接 的探 测光 缆发送 激光 脉冲 ， 同时对 后 向散射 光 中 的拉曼散射 光 ( R a ma n )进行采集 、分析 ，从而解 决 分布 式温度传感 方案 _ 3 】 。D T S基本技术原理图如 图 2 表示 。 l D T S I I l l 0 DT R 拉曼散射 用来定位温度点 用来计算温度值 图 2 D T S基本技术原理 图 3 2拉曼散射测温计算 当频 率为 y 0 的激 光入射 到光 纤 中，它在光 纤 中 向前 传输 的 同时不 断产生 后 向散射光 波 ，这些后 向 散射 光波 中存在着 ( 一 At )及 ( 。 + y )的 2条 谱 线 。中 心谱 线 为瑞 利 散 射 谱 线 ，低 频 一 侧 频 率 为 Y o Ay 、波长为 的谱线 为 S t o c k s ，高频一侧 频 率为 ( 7 0 + ， )、波 长为 a的谱线为 A n t i s t o k e s 。根 据拉曼散射理论 ，在 自然拉曼 散射条件下 ，2 束 反射 光的光强与温 度有关 【 4 。 若 入射光子 数为 e ， 则斯托 克斯拉曼 光子数 为： = R ( 7 1 ) e x p 一 +0 t s ) 】 t ( 1 ) 反斯托克斯光子数 为： = 五 e R ( 7 1 ) e x p 一 ( + ) 】 f ( 2 ) 瑞利散射光子数 R 为 ： R =k R s c e x p 一 2 a t ( 3 ) 式 中：k r 、k 。 、k 分别 为与瑞利散射 、斯托克斯 、反 斯托克斯拉曼 散射截 面有关 的系数 ，S为光纤 的背 向 散射 因子；Y o 、 。 、y 分别 为瑞利散射 、斯托 克斯 、 反斯 托克 斯 拉曼 散射 光子 频 率 ； 、口 、 分 别 为 入射光、斯托克斯、反斯托克斯拉曼散射光频率的 N H 隈 水利 信息 化 2 0 1 0 ， ( 5 ) 光 纤传输损 耗； R。 ( )、R ( ) 分别为与光纤分子 ( S i O )低能级和高能级上的布居数有关的系数，与 局域光纤处的温度有关，即： R ( 丁 ) = e x p( h a y) 一 l 】 ( 4 ) 。 ( ) = 卜 e x p( 一1h ay) 。 ( 5 ) 为 了消 除系统 的不稳 定性 、环境 的干扰 、光 纤 在 测量过程 中的弯 曲及受压 等变化 的影 响 ，本 系统 采 用斯托 克斯 光子数 来解调 反斯托 克斯光 子数 ，从 而获取温度值 ： = 【 In + 4 ) 式 中 ： 丁 为 绝 对 温 度 ； ( ) 、 ( )分 别 为 A n t i s t o k e s 和 S t o c k s 反射 光 的光 强 ； 、 分别 为 A n t i s t o k e s 和 S t o c k s 反射光 的光波频率 ；h为普 朗克 常 数 ；k为玻 尔兹 曼 常数 ； 为光 纤分 子 振动 频 率 ，取 1 3 2 X1 0” H z 。 因此 ，利用 O T DR原理 ，可 以将 随时间分布 的 温度 值对应 到整 条光 纤上 的不 同位 置 ，即得 到沿 光 纤分布各点的温度值。 4 D T S光纤分布式温度监测系统在碾压混 凝土坝的应用 4 1 D T S系统在碾压混凝土坝的优势 4 1 1 传统监 测手段 一 般采用分散型点式的铜 电阻式温度计 ( 热电 偶)监测。 存在 的主要 问题如下： 1 )施工干扰大，不利于大场面工作； 2 )获得信息偏少； 3 )每 支温度计仅 反映该点 的温度 ，不能形成准 确 的温度场 ； 4 )受电阻值的影响，如钻孔时将 电缆皮钻破时 或时 间长久 后 ，电阻值 受影 响 ，从而 影响温度 测量 值 及今后 的 自动化测量 。 4 1 2 D T S 分布式光纤测温 系统 D T S分布式光纤测温 系统优势如下 ： 1 )施 工干 扰 小 ，可 用 于后 期 的渗 流监 测 、分 析； 2 )可监测温度的变化及不同方向的温度分布； 3 )每 2 5 c m 长度为 1 个温度 感应单元 ，可不 间 断、多点连续测量； 4 )坝体 内部布置光 缆，可实时监测坝体 内部温 度 ，并预测可能出现的最高温度，实时了解坝体混 凝土温度控制措施效果 ； 5 )光纤 具 有抗 拉 、抗 压 性 能 ，可 单 、双 端 测 量 。 4 2 D T S系统在乐昌峡水利枢纽的方案 乐 昌峡水 利枢 纽工程 采用碾 压混凝 土 重力坝 ， 总库容 3 7 4 亿 m ，电站装机 1 3 2MW 。 碾压 混凝 土大坝 温度 控制对 裂缝 的预 防起着举 足 轻重 的作用 。乐 昌峡水利枢 纽工 程安全 监测系统 的有 关设 计文件 中 ，用 于温度 监测 的 内部观 测仪器 都属 于点 式仪器 ，只 能监测混 凝土 内部某个 特定 点 处 的温度 ，不 能进行 空间连 续观测 ，通过插 值计算 可得到混凝土坝体 内部温度场 。 目前 ，分布式光纤温度监测系统 已经广泛研 究，并在 电力 、通信 、水利 等工程 领域 的应用 中取 得一 些成 果 。为 了更好 地掌握 碾压 混凝土温 度变化 情况 ，采用 分布 式光纤温 度监 测系 统很有 理论依据 和 实践基础 。 目前乐 昌峡水利 枢纽 筹建处 正进行分 布式光纤温度传感系统的研 究和应用 。 4 2 1 测温光纤布置和测温结果 D T S系统主要 由分布式温度监测系统主机与专 用测温光缆组成。为了有效地实现光纤分布式温度 监 测 ，光 缆敷设 的走 向及位 置确定 是非常 关键 的， 在 确定光 缆 的敷 设方 案时 ，一定要 能保证 光纤测温 实现 以下 目标 ： 1 )反映浇筑层面混凝土的温度变化过程 ； 2 ) 反映的混凝土温度应尽量少受冷 却管降温 影 响； 3 )反映混凝土层面上下游、 左中右的温度变化； 4 ) 反映混凝土层面 中对 称性温度场 的变化 。 T 6 1 2温度计和光缆温度对 比曲线如 图 3所示， 1 1 6高程 0 + 1 2 8 0 + l 3 8断面 、0 + 0 7 0 0 + 0 8 5断面 的测 温 光纤 埋设 图和 光 纤测 温一 温 度分 布 图分别 如 图 4 、5 、6 、7所示 。 4 2 2 应 用研 究和成果 为 了解 分布 式光 纤实测 大坝混 凝土温 度 的真实 性 ，选 了一 坝段 的温度计 与相应 位置光 纤测温 测值 进行 比较 。该温度 计与所 在位 置光纤 的测值 的分布 情况和测温光纤布置相对应，从图 3可看出，温度 计与光纤测值比较接近，温度值相吻合，2 者温度及 变化趋势一致 ，说明光纤测温数据可靠。 同时从 图 4 、5 、6 、7可 以看 出分布式光纤能准 p 第5 期 周柏兵等：分布式光纤监测系统在混凝土坝的研究与应用 3 5 一 T 6 一 l 2温度 + 光缆对应位 置温度 实时气温 ， ，一 X ,S f ， ， 。 t 一 苫 苫 苫 苫 苫 苫 苫 苫 苫 苫 苫 t q t - I t q t q t q t q 图 3 T 6 - 1 2温度计和光缆 温度 对 比曲线 O 8 5 I 上游 坝横 1 0 +70 坝横 0 + 0坝轴线 40 35 寇 3 0 赠 25 头 尾 引入廊道 图 4 1 1 6高程 0 + I 2 8 0 + 1 3 8测温光纤埋设图 p 赠 苔 4 0 3 5 3 0 赠 蒜 ： 芒 一+ 2 0 1 。0 。- 。0 - 1 ； 2 01 O o7 1 9 2 01 O 研 一 2 0 25 I l 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 30 35 4 0 45 5 0 5 5 60 光缆长度 m 图 7 1 1 6高程 0 + 0 7 0 0 + 0 8 5光纤测温一 温度分布图 确检 测到碾 压混 凝土 坝 的温 度 分布规 律 ，最大 优 点 在于 能实现 实 时空 间温 度场 分布 测量 ，每采 集 1 次 数据 ( 整条 光缆 )的时 间较 短 ，单位 信息 量大 ， 自 动化程度 高，可反映整个区域的温度 场 。 实时光 纤测温 结果对混凝土浇筑有着 指导作 用 ，混 凝土 浇筑后 ，温 度在 沿上 、下 游方 向及 不 同 高程 的空 间分布上 变化 不大 ，局 部较 小变化 主要 受 外 界环 境气温 及上 、下 层浇 筑混凝 土温 度影 响 。仪 器 冷却 结束后 到 2期冷 却开 始这段 时 间里 ，混凝土 内部温度 呈明显回升趋势 。2期冷却结束后 ，在 很长 段 时间内，混凝土 内部温度 呈现缓慢 回升趋 势。 4 2 3 应用总结 ： 22 0 1 0 - 0 7 一 - 1 一哿j 器 ： 馏 2 0 10 -0 7 - 1；二 黜； ： 播 0 0 5 o l 5 2 0 2 5 3 o 3 5 4 o 4 5 5 o 5 5 6 0 光缆长度 m 图5 1 1 6高程 0 + I 2 8 0 + 1 3 8光纤测温一 温度分布图 0 +85 坝横 上游 1 0 7 0 I 坝横 0 + 0 坝轴线 头 尾 引入廊道 图 6 1 1 6高程 0 + 0 7 0 0 + 0 8 5测温光纤埋设图 2 0 1 0年 4 7月对乐 昌峡水利 枢纽 碾压混 凝土坝 行 了温 度监测 ，获得 了以 下信息： 1 )检测到 了碾压 混凝土坝的温度分 布规律 ，对今后 认识 混碾压 混凝土 坝的 运行规 律具有较大意义； 2 )通过施 工期监测 ，在 施工过 程中 对指导土建施 工起 到重要作 用； 3 )DT S系统 灵敏 度 高 ，性 能可满 足 工 程 要 求 ，可 广 泛 应 用 于 坝 体温 度 场 、坝前水 温 、抗 渗体渗 漏定位 、接缝 止水损坏定位等监测 ； 4 )DT S系 统 可 以精 确量 测 光程 沿线 各 点 的温 度，信息密度大，运行稳定可靠，施工埋设简单， 费用低 廉，是一种理想的场信息监测产品 。 5 结语 通 过研 究和 应用 分布 式光纤 传感 技术 ，结果表 明：分 布式光 纤传 感技 术应变 测量 能够较 准确 地测 得被测量结构上任何一点温度，测量分辨率和精度 3 6 水利 信息 化 2 0 1 0 ， ( 5 ) 满足工程监测要求，可以在工程监测作为一种新型 分布式应变监测技术加 以推广。 基于拉曼反射的分布式光纤传感技术在安全监 测 其 他 领 域 也 可广 泛 应 用 ，例 如 大坝 渗 漏 和 混 凝 土 面 板 堆 石坝 脱 空监 测 等 方 面 可 以进 行 研 究 和 应 用 6 1 。 大坝 安全 监测和 分布 式光 纤传感 技术经 过数 十 年的发展，传统监测手段的可靠性得到了很大的提 高 ，并逐 渐取 代人 工观 测 ，2种技 术 的结合在 目前 显得 尤为重 要 。本 课题 经过 2年多 的研究和 项 目应 用 ，基本 能满足规 范和 使用要 求 ，但 在测量 精度 、 方式等方面还可 以深入做一些研究 。 参考 文献 ： 1 金尚忠，周文，张在宣，等 光纤拉曼散射效应及其应 用研究 J 激光 与红外 ，2 0 0 2( 5 ) ： 3 1 - 3 4 2 2 张在宣 ，王剑锋 R a m a n散射型分布式光纤温度测量方法 的研 究 J 光 电子 激光 ，2 0 0 6 ， 1 2( 6 ) ： 5 9 6 - 6 0 0 【 3 】 WA N KT ， LE UNGCK A p p l i c a t i o n s o f a d i s t ri b u t e d fi b e r o p t i c c r a c k s e n s o r f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s S e n s o r s a n d Ac t u a t o r s A： P h y s i c a l ， 2 0 0 7 ， 1 3 5( 2 ) ： 4 5 8 - 4 6 4 4 4汤荣平 分布式光纤测温系统在小湾拱坝温度检测中的运 用 J 大坝与安全 ，2 0 0 7( 3 ) ： 3 5 - 3 9 5 蔡顺德，望燕慧，蔡德所 D T S 在三峡工程混凝土温度场 监测中的应用 J 水利水电科技进展，2 0 0 5 ， 2 5 ( 4 ) ： 3 0 - 3 5 6 6 葛建 分布 式光 纤测温系统在探测堤坝渗漏中的应用【 中国水利 ，2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 5 - 1 9 Re s e a r c h i n a n dAp p l i c a t i o n o f Di s t r i b u t e d Op ti c a l F i b e r Mo n i t o r i n g S y s t e m a t Co n c r e t e Da m ZHOU Ba i b i n ， W AN Yo n g b o 2 7 XU Gu o l o n g ， ZHOU Ke mi n g ( 1 Na n j i n g Aa u t o ma t i o n I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o l o g y ，Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s ， Na n j i n g 2 1 0 0 1 2 ， C h i n a ： 2 H y d r o C h i n a C h e n g d u I n v e s t i g a t i o n a n d D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h e n g d u 6 1 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t ： E l e c t ri c t e mp e r a t u r e s e n s o r i s u s e d f o r t r a d i t i o n a l t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t o f d a m b o d y , b u t t h e r e a r e p r o bl e ms o f s ma l l i n f o r ma t i o n c o n t e n t a n d d i ffi c u l i t y i n mo ni t o rin g t e mp e r a t u r e fie l d va r i a t i o n o f i n t e r n a l d a m b o d y Th e r e f o r e ， a r e s e a r c h wa s ma d e o n a p pl y i n g d i s t r i b u t e d o p t i c a l fib e r s e n s i ng t e c h n i q u e for t e mp e r a t u r e me a s ure me n t Ac c o r d i n g t o o r d i n a r y t e mpe r a t u r e mo ni t o r i n g me t h o d s ，a nd wi t h c o ns i de r a t i o n o n a p pl i c a t i o n o f t he t e c h ni q ue i n L e c h a n g g o r g e h y d r o - j u n c t i o n p r o j e c t ， t h r o u g h c o mp a r i s i o n w i t h o r d i n a ry t e mp e r a t u r e mo n i t o ri n g s y s t e m， t h e a r t i c l e ma i n l y di s c u s s e s f e a s i bi l i t y a n d a d v a n c e me n t of us i n g di s t r i b u t e d o pt i c a l fib e r t e mpe r a t u r e me a s u r e me nt s y s t e m fo r r o l l e r c o mp a c t e d c o nc r e t e d a m At t he s a me t i me ， t h e a ut ho r ma ke s a p r o s pe c t for t h e t e c h n i q u e i n o t he r s a f e t y mo n i t orin g fie l d s K wm凼 ： d i s t r i b u t e d ； o p t i c a l fi b e r mo n i t o ri n g s y s t e m； t e mp e r a tur e mo n i t o ri n g ； s e n s i n g t e c h n i q u e ； R CC dam “ 水利电子政务综合应用平台项 目通过竣工验收 2 0 1 0年 1 1 月 1 5日，受水利部委托，水利部信息化工作领导小组办公室主持召开了 “ 水利 电子政务综合 应用平 台项 目”竣工验收会 ，参加会议的有 国家审计署信 息办 ，水利部办公厅 、规计司、财务司、人事 司、国 科司、建管司、审计室、水规总院，中国水利水电科学研究院，7 个流域机构，建设单位水利部水利信息中心 以及设计 单位 、监理单位 、集成单位和运维单位的专家和代表 。会议成立 了竣工验收委员会 ，验 收委 员会听取 了建设、设计 、监理、集成 、运维等单位工作报告的汇报 ，观看 了重点业务应用系统 的现场演示，查 阅了项 目 工程档案，认为：该项 目已按批复的初步设计实施完成，工程质量合格，财务管理规范，工程档案齐全，投资 控 制有效，系统运行正常 ，效果 良好 ，同意通过竣工验收 。 本刊编辑部