CN106525280A - 一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统及方法 - Google Patents

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李惠
徐金龙
董永康
周文松
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Abstract

一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统及方法，涉及土木工程监测领域观测装置及测量方法，目的是为了克服现有冻土区温度测量方法存在的测量范围有限的问题，同时满足高海拔多年冻土区路基温度监测对传感系统在极端环境下的工作稳定性和耐久性的要求。本发明的分布式温度传感光纤穿过测温钢管并埋设于路基面层以下，测温钢管中灌入待监测路基的原位土壤，准分布式光纤光栅温度传感器固定在测温钢管的外壁上，光纤光栅解调仪用于获取光纤光栅温度传感器的温度分布，布里渊分布式光纤温度解调仪用于获取分布式温度传感光纤的温度分布，根据获取的数据计算获得温度分布。本发明适用于高海拔多年冻土区域的路基温度测量。

Description

一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种土木工程监测领域观测装置及测量方法，尤其是道路工程中路基温度分布测量方法
背景技术
高海拔多年冻土区公路由于地处极端气候，获取路基温度分布对研究高海拔多年冻土区的路基沉降机理，解决路基病害具有重要的作用，因此需要有效手段对路基温度变化进行长期的大范围的监测。
目前，冻土区工程中监测路基温度的方法主要离散式温度测量方法，在选定的路基测点中通过埋入或钻孔的方式布设温度传感器，再通过有线或者无线的方式将温度信号传递到数据采集系统中。例如实用新型专利CN203432709U中介绍的一种冻土温度测量记录仪，以热敏电阻作为温度敏感元件，通过集成的电源模块，数据采集模块和显示模块整合为一个小型化一体化的低温测试系统。再例如发明专利CN104236745A介绍的一种低功耗多通道插卡式冻土温度测量记录仪和发明专利CN105528884A中介绍的一种基于低功耗蓝牙的地温测试系统及地温测试方法，分别实现的地温测试的多通道扩展和无线传输。这些方法存在的共同问题是：第一，只能进行离散的单点测量，只能测试某些道路关键截面，很难进行覆盖大范围长距离的道路沉降监测；第二，测试系统的耐久性存在问题，由于目前测试方法采用的传感器均为电学传感器，长期埋入土体中易导致损坏，很难维持长期耐久的测试系统。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有冻土区温度测量方法存在的测量范围有限的问题，同时满足高海拔多年冻土区路基温度监测对传感系统在极端环境下的工作稳定性和耐久性的要求，提供一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统及方法。
本发明所述的一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统包括分布式温度传感光纤1、测温钢管2、光纤光栅温度传感器3、光纤光栅解调仪7和布里渊分布式光纤温度解调仪8；
所述分布式温度传感光纤1穿过测温钢管2，测温钢管2中灌入待监测路基的原位土壤，准分布式光纤光栅温度传感器3为刻有多个光栅的光纤，且多个光栅等间距分布，所述准分布式光纤光栅温度传感器3固定在测温钢管2的外壁上，光纤光栅解调仪7用于获取光纤光栅温度传感器3的温度分布，布里渊分布式光纤温度解调仪8用于获取分布式温度传感光纤1的温度分布。
基于上述温度监测系统的温度监测方法为：
步骤一、将分布式温度传感光纤1埋设于路基面层以下；
步骤二、使用布里渊分布式光纤温度解调仪8测量分布式温度传感光纤1的温度分布，使用光纤光栅解调仪7测量准分布式光纤光栅温度传感器3的温度分布；
步骤三、根据公式校准分布式温度传感光纤1的实际温度传感系数；其中和tr分别为分布式温度传感光纤1的初始布里渊频移和初始温度，vB和t分别为任意测试阶段分布式温度传感光纤1的布里渊频移和温度，Ct为分布式温度传感光纤1的实际温度传感系数；
步骤四、根据公式获取温度分布；其中和tr(z)分别为分布式温度传感光纤1的初始布里渊频移分布和初始温度分布，vB(z)和t(z)分别为任意测试阶段分布式温度传感光纤1的布里渊频移分布和温度分布，z表示沿分布式温度传感光纤1长度为z的位置。
本发明所述的温度监测系统及方法，测量范围取决于分布式温度传感光纤1的分布情况，经验证，其测量范围至少能够达到20公里，在极端环境下系统结构不易损坏，工作稳定性和耐久性完全能够满足要求。
附图说明
图1为本发明所述的一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统的结构示意图；
图2为分布式温度传感光纤1、测温钢管2和光纤光栅温度传感器3的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统包括分布式温度传感光纤1、测温钢管2、光纤光栅温度传感器3、光纤光栅解调仪7和布里渊分布式光纤温度解调仪8；
所述分布式温度传感光纤1穿过测温钢管2，测温钢管2中灌入待监测路基的原位土壤9，准分布式光纤光栅温度传感器3为刻有多个光栅的光纤，且多个光栅等间距分布，所述准分布式光纤光栅温度传感器3固定在测温钢管2的外壁上，光纤光栅解调仪7用于获取光纤光栅温度传感器3的温度分布，布里渊分布式光纤温度解调仪8用于获取分布式温度传感光纤1的温度分布。
如图1和图2所示，分布式温度传感光纤1采用单模通讯光纤，该单模通讯光纤经过封装加强处理，保证传感光纤具有足够的抗拉强度和抗剪强度。将分布式温度传感光纤1埋设于路基面层以下40cm-50cm深度，分布式温度传感光纤1从测温钢管2中穿过，通过测温钢管2隔绝外界应力作用。测温钢管2中灌入监测路基的原位土壤，起到温度耦合的作用，准分布式光纤光栅温度传感器3固定在测温钢管2上。将分布式温度传感光纤1与多芯光缆5通过光纤熔接保护盒4进行连接，通过多芯光缆5汇总进入监测室，在监测室内多芯光缆5与光纤通道扩展架6通过光纤熔接进行连接，并对光纤通道扩展架6的各传感光纤通道进行编号。光纤通道扩展架6与布里渊分布式光纤温度解调仪8和光纤光栅解调仪7之间通过接头型号为FC/APC的光纤跳线进行连接。使用布里渊分布式光纤温度解调仪8获取分布式温度传感光纤1的温度分布，使用光纤光栅解调仪7获取准分布式光纤光栅温度传感器3的温度分布，进而获得监测区域的空间温度场。
上述监测系统可以实现长度至少为20公里、精度为0.1摄氏度的全分布路基温度场监测，由于光纤本身二氧化硅的无机非金属材料特性，分布式温度传感光纤1具有良好的耐久性和稳定性。并且本实施方式利用光纤本身布里渊频移的温度敏感特性对温度进行绝对测量，不存在温度漂移和失真的问题。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统的进一步限定，本实施方式中，所述区分布式高精度温度监测系统包括两根或多根测温钢管2，分布式温度传感光纤1穿过所有测温钢管2。
本实施方式增加了测温钢管2的数量，多个测温钢管2可以按实际需要以任何方式分布在待监测路基中，如图2所示，共包括两根测温钢管2，两根测温钢管2平行分布。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一和二所述的一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统的进一步限定，本实施方式中，所述测温钢管2两端用橡胶塞10封堵。
如图1所示，每根测温钢管2的两端用橡胶塞封堵，能够起到固定分布式温度传感光纤1、隔绝应变的作用。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是基于实施方式一至三所述的一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统的温度监测方法，所述方法为：
步骤一、将分布式温度传感光纤1埋设于路基面层以下；
步骤二、使用布里渊分布式光纤温度解调仪8测量分布式温度传感光纤1的温度分布，使用光纤光栅解调仪7测量准分布式光纤光栅温度传感器3的温度分布；
步骤三、根据公式校准分布式温度传感光纤1的实际温度传感系数；其中和tr分别为分布式温度传感光纤1的初始布里渊频移和初始温度，vB和t分别为任意测试阶段分布式温度传感光纤1的布里渊频移和温度，Ct为分布式温度传感光纤1的实际温度传感系数；
步骤四、根据公式获取温度分布；其中和tr(z)分别为分布式温度传感光纤1的初始布里渊频移分布和初始温度分布，vB(z)和t(z)分别为任意测试阶段分布式温度传感光纤1的布里渊频移分布和温度分布，z表示沿分布式温度传感光纤1长度为z的位置。
上述方法可以根据要测量的范围来选择分布式温度传感光纤1的长度，因此，该方法能够测量的范围大；并且由于采用的监测系统在极端环境下稳定性和耐久性很高，因此该方法在极端环境下也能够长久稳定的测量。

Claims (4)

1.一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统，其特征在于，包括分布式温度传感光纤(1)、测温钢管(2)、光纤光栅温度传感器(3)、光纤光栅解调仪(7)和布里渊分布式光纤温度解调仪(8)；
所述分布式温度传感光纤(1)穿过测温钢管(2)，测温钢管(2)中灌入待监测路基的原位土壤(9)，准分布式光纤光栅温度传感器(3)为刻有多个光栅的光纤，且多个光栅等间距分布，所述准分布式光纤光栅温度传感器(3)固定在测温钢管(2)的外壁上，光纤光栅解调仪(7)用于获取光纤光栅温度传感器(3)的温度分布，布里渊分布式光纤温度解调仪(8)用于获取分布式温度传感光纤(1)的温度分布。
2.根据权利要求1所述的一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统，其特征在于，所述区分布式高精度温度监测系统包括两根或多根测温钢管(2)，分布式温度传感光纤(1)穿过所有测温钢管(2)。
3.根据权利要求1或2所述的一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统，其特征在于，所述测温钢管(2)两端用橡胶塞(10)封堵。
4.基于权利要求1所述的一种高海拔多年冻土区分布式高精度温度监测系统的温度监测方法，其特征在于，
步骤一、将分布式温度传感光纤(1)埋设于路基面层以下；
步骤二、使用布里渊分布式光纤温度解调仪(8)测量分布式温度传感光纤(1)的温度分布，使用光纤光栅解调仪(7)测量准分布式光纤光栅温度传感器(3)的温度分布；
步骤三、根据公式校准分布式温度传感光纤(1)的实际温度传感系数；其中和tr分别为分布式温度传感光纤(1)的初始布里渊频移和初始温度，vB和t分别为任意测试阶段分布式温度传感光纤(1)的布里渊频移和温度，Ct为分布式温度传感光纤(1)的实际温度传感系数；
步骤四、根据公式获取温度分布；其中和tr(z)分别为分布式温度传感光纤(1)的初始布里渊频移分布和初始温度分布，vB(z)和t(z)分别为任意测试阶段分布式温度传感光纤(1)的布里渊频移分布和温度分布，z表示沿分布式温度传感光纤(1)长度为z的位置。
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