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分布式光纤传感器监测技术

光纤传感技术是二十世纪八十年代开始研发的一种以光为载体,光纤为媒介,集感测与传输为一体的高新传感技术。随着光纤传感技术的发展,光纤传感技术己不仅仅用于事件的定性监测,而是越来越多地用于被测对象在时空上的多参量定量精确测量和监测。为了精确描述,本论文中将一律称之为光纤感测技术,以区别于一般的只用于事件监测的光纤传感技术。

在光纤感测技术中,全分布式光纤感测技术因其损耗低、全分布式的特点,十分适合于地质体和大型工程结构体长距离、大范围和耐久性等的监测要求,因而该类技术一经问世,就得到土木工程、岩土工程和地质界的广泛重视和应用,成为地质与岩土工程分布式监测的重要方法。

所谓分布式监测,是指利用光纤内部的光学信息获得光纤外部物理参量在空间和时间上的连续分布信息,而实现分布式监测的一个技术手段就是分布式光纤感测技术(简称DFOS)。在DFOS中,光纤不仅可以作为传感介质感知外界物理量,还可以作为传输通道传输光信息。DFOS利用光纤单向传输的特点,把需要监测的物理量作为光传输位置的函数,感测被测参量在光纤沿线上的分布与变化情况。将传感光纤布置在地质体内部,就象在地质体与工程结构体中植上了能感知外界变化的神经网络,感测被测对象相关物理属性在一维、二维和三维的变化规律,克服传统监测方式只能点对点监测、容易漏检的劣势,提高监测的范围。DFOS在大型或超大型工程的整体应变和温度等的参量监测方面更具加适用,如长距离隧道的不均匀沉降监测、大面积的地裂缝分布和变形 监测、长距离输油管道泄漏监测及大型边坡变形监测等。

分布式光纤监测系统

目前DFOS按照解调原理分类主要有:波长调制型、散射型、偏振型、相位型、微弯型、荧光型等。其中基于光纤布拉格光栅(简称光纤光栅或FBG)的准分布光纤感测技术与基于布里渊、拉曼和瑞利散射光的全分布式光纤感测技术,近二十余年来发展迅猛,并在周界安防、岩土工程、环保、生物医疗等众多领域得到了广泛的应用,这是因为DFOS具有如下优点:
1、分布式测量
可以实现准分布和全分布测量。一根光纤可以准确测出光纤沿线的每个点上的应变、温度、位移和渗流等十余种多参量信息。如果将传感光纤布设成网状,就可以得到被测对象的平面和立体上的分布情况。
2、长距离监测
可以实现数米到数百公里的长距离连续测量和监控,满足各类大型基础工程设施监测的需要。

3、监测物理量多
光纤感测技术获得的基本物理量主要有应变、温度和振动和长度等,据此,可以通过传感光纤封装技术和转换原理,还可以测量压强、应力、水位、流速、水分、湿度、流量、电流、电压、液位、有毒气体等物理量,应用面十分广泛。
(4)抗腐蚀性强,耐久性好
作为传感介质的光纤或光纤器件,其材料主要成分为二氧化硅,是本质安全的。它具有防雷击、防水防潮、耐高温、耐腐蚀等特点,有很好的耐久性。因此,它也适合于环境比较恶劣场所如强辐射、高腐蚀、易燃易爆等环境的监测。在岩土工程中,常常会遇到地下水和咸水的环境,因此,传感光纤的抗腐蚀性可大大提高传感器的使用寿命。
(5)抗干扰性能强
光纤的材质是二氧化硅,像玻璃一样不受电磁干扰;而且光波光频较高,相对来说电磁噪声光频较低,所以电磁干扰对光波无干扰,对光波无干扰。此外,光波易于屏蔽,只要在护套内,外界的光源便无法进入光纤内部。
(6)轻细柔初
传感光纤体积小,重量轻,几何形状可塑,匹配性和适应性强,几乎不影响被测对象的自身性质。因此,它十分适用于一些重要构筑物和名胜古迹的监测。
(7)测量精度高
光纤感测技术有一大类,包含一个完整技术体系。不同的光纤感测技术具有不同的测量性能。因此,监测不同的地质体,可选择不同的光纤感测技术。对于一些测量精度要求高的被测对象,可采用如光纤光栅的感测技术,其测量精度要明显优于同类的常规机电类传感器,有的甚至是高出几个数量级。
(8)大容量传输
由于光纤可以传输大容量信息,因此光纤可作为母线,采集和传输各种传感器的信息,来代替笨重的多芯电缆。
此外,光纤感测技术还具有多分复用、光速传输、系统集成化等特点,能解决诸多振弦式和电阻式传感器无法解决的工程监测难题。

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