CN204854648U - 一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置，其特征是，包括光纤线路、数据采集设备和数据处理与分析模块，所述光纤线路铺设于面板内，所述光纤线路分别连接数据采集设备和数据处理与分析模块；所述一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置在监测脱空位置的同时还能确定脱空处面板的运行状况，判断面板的运行状态是否安全，及时采取措施补救，保证面板的安全，同时还能进行温度监测的系统，用于对应变传感光纤测得的数据进行温度补偿处理，用于修正温度对应变监测的影响，免去了单独温度计的埋设。

Description

一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种面板坝脱空的监测方法，特别涉及一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置。

背景技术

中国自1985年引进混凝土面板坝技术并在西北口试验成功后，面板堆石坝以良好的安全性和经济性得到迅速推广，中国混凝土面板堆石坝在数量、坝高、工程规模和技术难度等方面都居世界前列。

在面板坝筑坝高度越来越高的同时，由于受分期施工等因素的影响，使高面板堆石坝的坝体变形性状更加复杂，出现了一些坝面难以发现的问题，面板脱空就是其中之一。堆石体拥有一定的孔隙率，在自重、水压的作用下，再加上堆石体自身咬合和破碎作用，坝体会有一定变形，有的还会出现较大变形，导致面板和垫层之间出现空隙，这就是“面板脱空”。随着脱空的发展，混凝土面板会发生不同程度挠曲变形，严重时会产生裂缝，产生渗漏，危及大坝安全。

传统脱空监测方法主要采用位移监测法，该法系根据设计计算以及施工进度安排，在堆石体沉陷较大的部位或者当发现面板脱空，在对脱空部位作了注浆处理后的部位安装脱空观测仪。脱空观测仪由2支大量程的位移计和固定底座组成，2支位移计和固定底座构成等边三角形。2支位移计的交点即为测点，通过铰座固定在与周边坝料用锚筋连接的混凝土墩上。当面板与坝体填料间产生相对位移时，位移计受到拉伸或压缩作用，位移计的活动部分产生伸长或缩短，其变化量可以通过读数仪读出。由于面板脱空具有随机性，很难刚好将仪器埋设在脱空发生部位。因此，对于事前监测，这种传统的单点监测法效果并不理想。

实用新型内容

为了克服目前的脱空监测技术存在的不足，提出一种基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)的分布式光纤的面板脱空监测方法，具有实时监测性能高、可以实现分布式监测、集信息传感与传输于一体、覆盖范围广的特点。

该目的通过以下技术方案实现：一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置，其特征是，包括光纤线路、数据采集设备和数据处理与分析模块，所述光纤线路铺设于面板内，所述光纤线路分别连接数据采集设备和数据处理与分析模块。

优选的是，光纤线路呈“几”字形铺设于面板内部。

优选的是，面板内部铺设钢筋网，光纤线路绑扎于钢筋网上。

优选的是，所述光纤线路包括温度传感光纤和应变传感光纤，所述光纤线路为埋入式传感光纤，光纤本身既可以感知外界物理量的变化，同时也可以对信息进行传递。

优选的是，所述数据采集设备为布里渊光时域分析数据采集设备。

本实用新型所达到的有益效果：本实用新型所述一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置通过光纤线路、数据采集设备和数据处理与分析模块的设置，如果面板坝发生脱空现象，由于失去支撑，面板必然会产生较大应力变化，导致出现异常的应变，通过分析处理系统分析对输出的BOTDA光信号进行分析处理，并进行温度补偿计算，就能够相应确定监测网上的应变分布情况，追踪异常的应变点就能确定面板坝的脱空位置。

本发明的一个目的在于改进目前的点式脱空仪监测存在的信息量少的问题。目前的点式监测系统只能得到监测点布置处是否发生脱空的信息，其布设位置一般按照经验安装于可能发生脱空部位。实际情况下，影响面板脱空的因素十分复杂多样，在大坝的施工期、蓄水期等各个阶段都有可能发生脱空现象，如果用单点式脱空仪，布置的数量太少，很可能监测不到脱空发生的部位，而如果布设的太多，则投资太大不经济。如果将分布式光纤用于脱空监测，则可以实现对面板脱空的网状覆盖式监测，理论上可感知到沿光纤几何分布路径上每一点处的脱空状态，这就大大提高了监测脱空部位的成功率；

所述一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置监测脱空位置还能确定脱空处面板的运行状况，判断面板的运行状态是否安全。之所以进行脱空监测，其主要目的是为了能够掌握脱空位置，及时采取措施补救，保证面板的安全。对于传统的位移式脱空监测仪，只能够得知监测点处的脱空位移的大小，并不能得知脱空点处的面板运行状况如何。而本发明在确定脱空位置的同时，还能掌握脱空处面板的运行状态，应变是否过大，对于后续的补救措施有很大的帮助。

所述一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置在监测应变的同时还能进行温度监测的系统。为了实现这一目的，在埋设应变感应光纤的同时在伴侧布设一根同样材料的温度传感光纤，一则用于对应变感应光纤测得的数据进行温度补偿处理，用于修正温度对应变监测的影响；二来可以实现对光纤分布路径位置上的温度的监测，免去了单独温度计的埋设。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型光纤线路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1和图2所示，一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置，其特征是，包括光纤线路、数据采集设备和数据处理与分析模块6，所述光纤线路铺设于面板内，所述光纤线路分别连接数据采集设备和数据处理与分析模块6，光纤线路呈“几”字形铺设于面板内部，面板内部铺设钢筋网7，光纤线路绑扎于钢筋网7上，所述光纤线路包括温度传感光纤2和应变传感光纤3，所述光纤线路为埋入式传感光纤，光纤本身既可以感知外界物理量的变化，同时也可以对信息进行传递，所述数据采集设备为布里渊光时域分析数据采集设备，所述布里渊光时域分析数据采集设备的光源系统通过环形器4分为左光源5和右光源1。

一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置基于BOTDA的传感技术利用的是布里渊受激放大作用，其原理为：当左光源5和右光源1发射的两束光在光纤中反向传播，并且二者的频差等于布里渊频移ν_B时，弱的泵浦信号将被强的泵浦信号放大。当光纤的某一部分发生应变时，那里的布里渊频移发生改变，引起这部分BOTDA信号的急剧衰减。调谐使左光源5发射的泵浦光和1发射的探测光之间的频差等于改变后的布里渊频率，便能接收到该点的布里渊散射信号。因此利用数据采集设备和数据处理与分析模块6进行分析计算，可以测到光纤沿线任一点的布里渊散射频移。应用布里渊频移与应变之间的关系，便可以得到光纤沿线任一点的应变分布。

光纤的布里渊频移主要受到应变和温度的影响。由于弹光效应和热光效应，当光纤的应变和温度发生变化时会引起光纤折射率的变化，并使光纤自身的物理参数受到影响。根据光纤折射率、杨氏模量、泊松比和介质密度各自与温度T和应变ε的关系，光纤的布里渊频移ν_B可表示为T和ε的函数，即公式1：

${\mathrm{\ν}}_B(T,\mathrm{\ϵ})=\frac{{2\mathrm{\ω}}_P\·n(T,\mathrm{\ϵ})}{c}\·\sqrt{\frac{[1-k(T,\mathrm{\ϵ})](T,\mathrm{\ϵ})}{[1+k(T,\mathrm{\ϵ})][1-2k(T,\mathrm{\ϵ})]\mathrm{\ρ}(T,\mathrm{\ϵ})}}$

式中：E为介质的杨氏模量(N/m2)；k为泊松比(无纲量)；ρ为介质密度(kg/m3}；ωp为泵浦光频率(Hz)；c为真空中光速(3×108m/s)；n为光纤折射率(无纲量)。

由上式可知光纤的布里渊频移主要由应力和温度的复合作用引起。由试验可知，1℃对应1MHz的频移量，而lμε对应0.05MHz的频移量，换句话说，就是温度变化1℃就会造成约20με的不确定性。因此，在实际应用中，由于环境温差的影响，必然会造成测量误差的增大而影响监测精度，造成工程隐患，在温度变化明显的工程监测中必须考虑温度的影响，尤其是长期监测于温差比较大的环境中的工程，不进行温度补偿的应变测量是不准确的，没有意义的。

就面板脱空监测而言，在短期温度变化不大时，温度对光纤应变贡献较小，可不进行温度补偿和校正；但在实际中，对于面板脱空监测是需要长期进行的，尤其大坝的工作条件复杂，一年之内季节温度差异大，所以需要进行温度补偿，以剔除应变监测结果中温度变化的影响。

温度补偿的方法采用不受力自由光纤实现温度补偿的方法最为合适，不仅操作简单而且经济、可靠。具体操作时，将应变传感光纤3设置在被监测的感知区，同样的材料、温度环境的构件上铺设温度传感光纤2，这样便可以保证两根光纤在同样的温度场环境。

如图2所示，光纤的具体埋设图，面板内部铺设钢筋网7，光纤线路用高强度绑带8绑扎于钢筋网7上，所述光纤线路包括温度传感光纤2和应变传感光纤3，光纤线路的安装可按照如下步骤：

(1)当面板的钢筋网7铺设完成后，确定光纤的布置密度以满足实际的监测需要，然后在钢筋网7上做好标记，确定光纤铺设路径。

(2)然后沿着确定的铺设路径，将应变传感光纤3用高强度绑带8牢牢的绑在面板内的钢筋上，保证能够与钢筋协同变形。

(3)最后在钢筋网7与应变传感光纤3的伴侧铺设温度传感光纤2，温度传感光纤2的铺设只需要保证贴着应变光纤，并不需要绑的过紧，以保证其能够处于受力自由的状态。

(4)面板混凝土浇筑完成后，带混凝土水化热释放完成就可以开始进行第一次读数。

应变传感光纤3为紧套光纤，纤芯的应变同时受面板的应变和环境温度的影响；温度传感光纤2选用材料特性与应变传感光纤3一致的松套光纤，其处于自由状态不受力，纤芯的应变变化只与环境的温度有关。

测量光纤在温度和应变的共同作用下，布里渊频移与所发生的应变以及温度的关系表达为公式2：

Δν₁＝C_eΔε+C_T1ΔT

温度传感光纤由于处于自由状态，其布里渊频移只与温度有关，见公式3：

Δν₂＝C_T2ΔT

上述两式中Δν₁，和Δν₂为测量光纤、温度传感光纤的布里渊频移变化量，C_T1和C_T2为测量光纤、温度传感光纤的布里渊温度系数。

由公式(3-1)与公式(3-2)两式联合，可以得到公式4：

Δε＝(Δν₁-C_T1/C_T2Δν₂)/C_e

由上可知，两个光纤的布里渊频移变化值得到以后，就可以去除温度影响的应变值，也可以得到温度精确值。如若将测量光纤以及温度传感光纤二者的布里渊传感特性一致，且布设在了同样材料的基体上，则C_T1/C_T2＝1，公式4可以变为公式5：

Δε＝(Δν₁-Δν₂)/C_e

这样便除去了温度对应变监测光纤的影响，于此同时根据式(3)也能得到光纤上的温度分布情况。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置，其特征是，包括光纤线路、数据采集设备和数据处理与分析模块，光纤线路呈“几”字形或“品”字形铺设于面板内部，所述光纤线路分别连接数据采集设备和数据处理与分析模块。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置，其特征是，面板内部铺设钢筋网。

3.根据权利要求2所述的一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置，其特征是，光纤线路绑扎于钢筋网上。

4.根据权利要求3所述的一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置，其特征是，光纤线路通过绑带绑扎于钢筋网上。

5.根据权利要求2所述的一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置，其特征是，所述光纤线路包括温度传感光纤和应变传感光纤。

6.根据权利要求1所述的一种分布式光纤用于面板坝脱空的监测装置，其特征是所述数据采集设备为布里渊光时域分析数据采集设备。