CN102650629A - 一种基于光纤光栅的隧道渗水监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅的隧道渗水监测方法，包括以下步骤：(1)标记待监测位置；(2)划分监测区域；(3)布置光纤光栅湿度传感器；(4)信息传至光纤光栅湿度传感测量仪器；(5)记录并检测所述数据，并存储于数据库中；(6)当超过预设值时则报警装置启动报警；(7)提取报警前1小时内所有的所述数据，确定渗水发生位置。一种所述方法的装置，包括数据采集模块、信号处理模块和管理控制模块。本发明实现了各类隧道自动化查找渗漏点，不仅能完成对结构物理损伤等信息的即时搜集，还能及时收集渗水发生位置等信息，便于管理人员在第一时间做出反应保证检测结果的准确性。

Description

一种基于光纤光栅的隧道渗水监测方法及装置

技术领域

本发明涉及隧道渗水监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的隧道渗水监测方法及装置。

背景技术

隧道作为交通基础设施，给人们的生活带来了极大的便利。然而，随着我国交通建设水平的提高，隧道的数量与里程不断增加。而运营期的隧道渗水现象以及由此产生的危害已经引起了有关部门的高度重视。以公路隧道为例，现有调查结果显示，我国60％的公路隧道存在不同程度的渗水问题。隧道渗水问题可产生较大危害。渗漏水可导致隧底积水，使隧道内交通环境恶化，降低通行效率，危及交通安全；此外，在渗漏水的长期作用下，会对隧道结构产生侵蚀破坏，并腐蚀隧道附属设施，缩短其使用寿命；在寒冷地区，反复的冻融循环，会在渗水处造成衬砌混凝土冻胀开裂破坏，并在衬砌和围岩之间造成冻胀，引起拱墙变形破坏；渗漏水还可使拱墙上悬挂冰柱、冰溜，在隧底可能冻起并形成冰锥和冰坡等，造成较大的安全隐患。

从以上内容可以得出，隧道渗水问题严重影响了交通安全。而应对渗水问题，首先要对渗水点的位置进行准确判断，再对症下药，这样才能达到较好的治理效果。

目前，在渗漏点的查找方面主要还是依靠肉眼的观察与发现，而近几年来也涌现出一些先进的物探技术被应用于对大型工程结构的健康检测。其中典型的有雷达波探测技术、红外热成像探测技术、脉冲回波探测技术等。这些技术只能完成对结构物理损伤等信息的即时搜集，缺乏对渗水发生位置等信息的有效搜集手段。此外，隧道渗水现象是由于地下水的缓慢侵蚀而发生的，一旦发生便具有迅速蔓延的趋势。若单纯采用人为发起、现场排查的手段，在渗水突发的情况下，管理人员很难于第一时间做出反应，同时会带来人力和物力的极大消耗，且难以保证检测结果的准确性。

因此，应对隧道渗水问题，需要一种自动监测，并能在第一时间内完成渗水发现与定位的技术方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的隧道渗水监测方法及装置，以解决上述问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于光纤光栅的隧道渗水监测方法，包括以下步骤：

(1)在被监测隧道内标记各个待监测位置；

(2)将全部的所述待监测位置划分为多个监测区域，每个所述待监测区域包含至少一个所述待监测位置；

(3)在每个所述监测区域内的每一个所述待监测位置布置至少一个光纤光栅湿度传感器，并通过光纤将全部的所述光纤光栅湿度传感器串接；

(4)每个所述光纤光栅湿度传感器所检测到的湿度实时信息通过光纤传至光纤光栅湿度传感测量仪器，所述湿度实时信息包括湿度数据；

(5)光纤光栅湿度传感测量仪器记录并检测所述湿度数据、计算并检测湿度上升速度数据，并将所述湿度数据、所述湿度上升速度数据以及所述湿度数据和所述湿度上升速度数据所对应的光纤光栅湿度传感器所在的物理位置数据存储于数据库中；

(6)当所检测到的湿度或者湿度上升速度超过预设值时则报警装置启动报警；

(7)报警后，从数据库中提取报警前1小时内所有的所述湿度数据、所述湿度上升速度数据以及所述湿度数据和所述湿度上升速度数据所对应的光纤光栅湿度传感器所在的物理位置数据，确定渗水发生位置，完成对隧道渗水事件的报警与对渗水位置的定位。

所述步骤(1)中所述待监测位置为一切渗水多发位置或者小段区域，包括施工缝、伸缩缝。

所述步骤(2)中将全部的所述待监测位置划分为多个监测区域的划分方法为：按照隧道长度划分，每200米～300米为一个监测区域；或者按照待监测位置的数量划分，将任意数量的待监测位置划分为一个监测区域。

所述步骤(3)中所述通过光纤将全部的所述光纤光栅湿度传感器串接的方法为，以所述待监测位置沿所述被监测隧道延伸的方向按S形方式串接。

所述步骤(7)中所述确定渗水发生位置的方法为：获取报警前1小时内湿度峰值最高的光纤光栅湿度传感器的物理位置，将该位置确定为渗水发生位置；和/或获取报警前1小时内湿度上升速度峰值最高的光纤光栅湿度传感器的物理位置，将该位置确定为渗水发生位置。

一种实施所述的方法的装置，包括数据采集模块、信号处理模块和管理控制模块，所述数据采集模块与所述信号处理模块相连，所述信号处理模块与所述管理控制模块相连。

所述数据采集模块包括传感器阵列、光开关和光分/合路器，所述传感器阵列与所述光开关相连，所述光开关与所述光分/合路器相连；所述传感器阵列由多条传感器链以总线形组成，所述传感器链由一条光纤沿被监测隧道延伸的方向按S形方式串接多个光纤光栅湿度传感器形成；所述光开关用于切换所述传感器阵列中各条传感器链所回馈的光信号；所述光分/合路器用于对多个传感器阵列所回馈的光信号进行分路和合路，扩大所述传感器阵列的规模；所述光纤光栅湿度传感器附着于所述待监测位置，并通过隔水材料将每一个所述光纤光栅湿度传感器与相应的所述待监测位置进行包封或者通过隔水材料将多个相同中心波长、湿度敏感特性一致的光纤光栅湿度传感器与相应的几处相距不远的所述待监测位置进行包封。

所述信号处理模块包括光源、光纤光栅湿度传感测量仪器和光开关控制器，所述光开关控制器用于控制所述数据采集模块中的光开关以轮询的方式切换光信号。

所述管理控制模块包括数据库、监测计算机和监测软件系统。

光纤光栅传感是一种无电测量技术，其以光纤作为信息传递媒质，能够测量应力、应变、温度、位移、加速度、电场、电流等多种物理量和化学量，并具有高耐久性、体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、性能稳定以及便于网络化集成等优点。光纤光栅传感作为新一代的传感手段，已广泛应用于对大型工程异常事件的监测与报警系统中，但目前未有论文或专利提出将光纤光栅传感技术应用于对隧道渗水事件的监测与定位中。在对湿度的监测方面，光纤光栅传感器的灵敏度是普通温湿度传感器的三倍，完全能够满足隧道渗水监测的要求。而且，光纤光栅传感器相比于其他传感器可以做到被测现场无电压、电流等电信号，实现无电检测，本质安全防爆，适用于隧道内对环境安全性的要求。此外，光纤光栅多点、连续、长距离感知的特点能更准确、更简单的达到长时监测、及时发现、准确定位的效果，降低渗水事故带来的危害。因此，可考虑选用光纤光栅湿度传感器对隧道渗水问题进行监测，并结合隧道环境，提供对隧道结构影响不大，便于安装，且满足隧道内防火、防爆等安全性要求的光纤光栅隧道渗水监测方法与装置，以实现对隧道渗水问题的智能化、信息化处理。

本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅的隧道渗水监测方法及装置，用于对隧道渗水现象多发位置进行长时的自动监测，并在渗水现象出现时及时报警和定位，以便隧道管理养护人员在第一时间内掌握准确信息，妥善处理。

本发明提供了一种基于光纤光栅的隧道渗水监测方法与装置，其采用光纤光栅湿度传感技术，对隧道内施工缝、伸缩缝等渗水多发位置或者小段区域进行自动的湿度监测，并能在隧道渗水现象发生的第一时间内完成报警和对渗水位置的定位。本发明可有效提高隧道渗水事故的处理效率，从而降低隧道渗水现象所带来的危害。并且本发明对隧道结构影响不大，便于安装，满足隧道内防火、防爆等安全性要求。

本发明所提供的基于光纤光栅的隧道渗水监测装置将光纤光栅湿度传感器附着于待监测位置，并通过隔水材料将单一光纤光栅湿度传感器与相应的待监测位置进行包封，或者通过隔水材料将多个相同的中心波长、湿度敏感特性一致的光纤光栅湿度传感器与相应的几处相距不远的待监测位置进行包封，以达到隔绝外界空气湿度干扰的目的。

本发明可应用于包括各类隧道在内的大型公共建筑。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

1，本发明实现了各类隧道自动化查找渗漏点，不仅能完成对结构物理损伤等信息的即时搜集，还能及时收集渗水发生位置等信息，便于管理人员在第一时间做出反应保证检测结果的准确性。

2，本发明结构简单，建设成本低廉。

附图说明

图1示出了本发明中基于光纤光栅的隧道渗水监测装置的结构示意图；

图2示出本发明中基于光纤光栅的隧道渗水监测装置中的光纤光栅湿度传感器的布置示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的一种基于光纤光栅的隧道渗水监测装置包括：数据采集模块101、信号处理模块102和管理控制模块103。数据采集模块通过光纤与信号处理模块相连，信号处理模块与管理控制模块相连。

数据采集模块101，主要负责探测信号的收集，由传感器阵列104、光开关105、光分/合路器106组成。其中：

传感器阵列104，由多条包含多个光纤光栅湿度传感器串接形成的传感器链以总线形组成；

光开关105，用于切换传感器阵列104中各条传感器链所回馈的光信号；

光分/合路器106，用于对多个传感器阵列所回馈的光信号进行分路和合路，以达到扩大所述传感器阵列规模的目的。

由于宽带光源的谱宽一般为40nm-50nm，光纤光栅传感器的谱宽通常为0.07-0.6nm，检测外界信号时，光纤光栅传感器中心波长要漂移1-2nm，所以为了使不同光栅的反射光的谱峰不相互重叠，每个通道内只能接收大约三十个以内的光栅传感器。一个大型隧道工程往往需要同时监测上百个位置的信号。因此，本发明利用光开关对传感网络进行扩展，即利用光开关的时分复用原理，扩大传感网络规模，以满足监测环境的要求。通过光开关的开合，系统可实现对隧道内的被监测区的状态查看轮询。因此，以时分复用方式实现传感解调模块与各传感通道的连通，可通过扩展光开关的数量有效增加传感通道的数量，而不受限于传感解调模块中探测器的数量及一个光开关的端口数量，具有很强的传感通道扩展性。

图1的实施例中，每一个传感器阵列包括几条由多个光纤光栅湿度传感器(图1中均示意性的画出了4个)串接形成的传感器链。其中，有一条传感器链中没有光纤光栅湿度传感器，用于消除此传感器阵列的光谱反射，从而避免在其它传感器阵列的传感探测时间周期中产生反射波干扰。

此外，本发明利用光分/合路器可对多个传感器阵列所回馈的光信号进行分路和合路，适用于长度较长，或者监测区域较分散的隧道，比如双向公路隧道。

图1中该实施例的数据采集模块101可应用于双向公路隧道中，其中，传感器阵列104和光开关105可放置于一侧公路隧道中；传感器阵列107和光开关108可放置于另一侧公路隧道中。同时，图1中仅以包含两对传感器阵列和两对光开关的数据采集模块为例，非本发明的技术特点。

信号处理模块102，包括光源109、耦合器110、光纤光栅湿度传感测量仪器111以及光开关控制器112。

光源109为宽带光源。耦合器110用于耦合不同方向的光信号。光纤光栅湿度传感测量仪器111用于对回馈的光信号进行光波长偏移量的检测与分析，并将结果反馈至管理控制模块103。光开关控制器112控制数据采集模块101中的光开关以轮询的方式切换多路光信号。

管理控制模块103，包括数据库113、监测计算机114以及监测软件系统115。数据库113用于适时监测数据的保存与读取。监测计算机114与监测软件系统115负责被收集信号的处理与光开关控制指令的发布，并负责信号的显示、渗水事件的报警、渗水位置的定位以及打印和信息查询等功能。

图2所示的是本实施例中基于光纤光栅的隧道渗水监测装置中的光纤光栅湿度传感器布置示意图，本实施例以被监测隧道201内只有一个传感器阵列为例。

被监测隧道201包含多个待监测位置，其中，待监测位置为施工缝、伸缩缝等一切渗水多发位置或者小段区域。

被监测隧道201按照一定规则被划分为多个监测区域，202为其中一个监测区域。

监测区域划分方法包括：

a.按照隧道长度划分，200米～300米为一个监测区域；

b.按照待监测位置数量划分，将任意数量的待监测位置划分为一个监测区域。

以监测区域202为例，其包含一个光缆接续盒203以及一条以待监测位置沿被监测隧道201延伸的方向由一根光纤按S形方式串接多个光纤光栅湿度传感器的传感器链。204为一个光纤光栅湿度传感器。

本发明所提供的基于光纤光栅的隧道渗水监测装置可在多处待监测位置相距不远的情况下，在这几处使用具有相同的中心波长、湿度敏感特性一致的光纤光栅湿度传感器进行湿度监测。因此，本发明所提供的基于光纤光栅的隧道渗水监测装置可将这几处待监测位置作为一个测量点，始终显示其最高湿度。从而这几处待监测位置的传感信号只需解调单一波长，加快了解调的速度，同时配合光开关的切换动作，可进一步提高光纤光栅传感器的复用数量，并可以保证区分不同区域的湿度信号。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤光栅的隧道渗水监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在被监测隧道内标记各个待监测位置；

(2)将全部的所述待监测位置划分为多个监测区域，每个所述待监测区域包含至少一个所述待监测位置；

(3)在每个所述监测区域内的每一个所述待监测位置布置至少一个光纤光栅湿度传感器，并通过光纤将全部的所述光纤光栅湿度传感器串接；

(4)每个所述光纤光栅湿度传感器所检测到的湿度实时信息通过光纤传至光纤光栅湿度传感测量仪器，所述湿度实时信息包括湿度数据；

(5)光纤光栅湿度传感测量仪器记录并检测所述湿度数据、计算并检测湿度上升速度数据，并将所述湿度数据、所述湿度上升速度数据以及所述湿度数据和所述湿度上升速度数据所对应的光纤光栅湿度传感器所在的物理位置数据存储于数据库中；

(6)当所检测到的湿度或者湿度上升速度超过预设值时则报警装置启动报警；

(7)报警后，从数据库中提取报警前1小时内所有的所述湿度数据、所述湿度上升速度数据以及所述湿度数据和所述湿度上升速度数据所对应的光纤光栅湿度传感器所在的物理位置数据，确定渗水发生位置，完成对隧道渗水事件的报警与对渗水位置的定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述待监测位置为一切渗水多发位置或者小段区域，包括施工缝、伸缩缝。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中将全部的所述待监测位置划分为多个监测区域的划分方法为：按照隧道长度划分，每200米～300米为一个监测区域；或者按照待监测位置的数量划分，将任意数量的待监测位置划分为一个监测区域。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述通过光纤将全部的所述光纤光栅湿度传感器串接的方法为，以所述待监测位置沿所述被监测隧道延伸的方向按S形方式串接。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)中所述确定渗水发生位置的方法为：获取报警前1小时内湿度峰值最高的光纤光栅湿度传感器的物理位置，将该位置确定为渗水发生位置；和/或获取报警前1小时内湿度上升速度峰值最高的光纤光栅湿度传感器的物理位置，将该位置确定为渗水发生位置。

6.一种实施权利要求1至5任意之一所述的方法的装置，其特征在于，包括数据采集模块、信号处理模块和管理控制模块，所述数据采集模块与所述信号处理模块相连，所述信号处理模块与所述管理控制模块相连。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据采集模块包括传感器阵列、光开关和光分/合路器，所述传感器阵列与所述光开关相连，所述光开关与所述光分/合路器相连；所述传感器阵列由多条传感器链以总线形组成，所述传感器链由一条光纤沿被监测隧道延伸的方向按S形方式串接多个光纤光栅湿度传感器形成；所述光开关用于切换所述传感器阵列中各条传感器链所回馈的光信号；所述光分/合路器用于对多个传感器阵列所回馈的光信号进行分路和合路，扩大所述传感器阵列的规模；所述光纤光栅湿度传感器附着于所述待监测位置，并通过隔水材料将每一个所述光纤光栅湿度传感器与相应的所述待监测位置进行包封或者通过隔水材料将多个相同中心波长、湿度敏感特性一致的光纤光栅湿度传感器与相应的几处相距不远的所述待监测位置进行包封。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括光源、光纤光栅湿度传感测量仪器和光开关控制器，所述光开关控制器用于控制所述数据采集模块中的光开关以轮询的方式切换光信号。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述管理控制模块包括数据库、监测计算机和监测软件系统。

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