CN207095615U - 基于光纤光栅的隧道监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光纤光栅的隧道监测系统，包括监控平台、光纤光栅解调主机、主光缆、第一监测支路、第二监测支路，第一监测支路、第二监测支路分别用于监测相邻的两个隧道的状况，第一监测支路、第二监测支路均包括若干个光纤光栅传感器组，各光纤光栅传感器组均通过传输光缆与光缆分纤盒连接，光缆分纤盒与光纤光栅解调主机通过主光缆连接，光纤光栅传感器组包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，监控平台用于接收光纤光栅解调主机的数据。本实用新型监测系统可以实现对隧道内的温度及应变情况实现实时监控，在监测到的数据超出设定值后，报警模块可向报警主机发出超温报警、超应变报警信号。

Description

基于光纤光栅的隧道监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于光纤光栅的隧道监测系统。

背景技术

我国管道工程正处于高速发展时期，越来越多的管道要经过各种地质形貌区域，隧道是管道穿越复杂山体和大型河流的一种主要方式。受运营年限、地质条件、设计施工等因素的影响，经常出现隧道拱顶开裂、边墙开裂、拱顶空洞、衬砌损坏、隧道渗漏水、隧道冻害、围岩大变形、衬砌厚度薄、混凝土强度低、隧道内空气污染等结构性病害。隧道多为封闭空间，管理维护困难。

光纤传感技术能实现对温度、湿度、压力、应变、振动，位移及加速度等参数的精确测量。特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制，环境恶劣等场合下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎各个领域都在进行研究和应用，产业得到蓬勃发展。光纤光栅传感器除了具有光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于其他光纤传感器的地方。光纤光栅传感器是一种光谱分离与光波长选择的器件，信号不受弯曲损耗、连接损耗等因素影响，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。若将光纤光栅技术应用到隧道的监测中，必将给隧道管理带来便利。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于光纤光栅的隧道监测系统，以实现对隧道状况的实时监测。

为实现上述目的，本实用新型基于光纤光栅的隧道监测系统采用如下技术方案：基于光纤光栅的隧道监测系统，包括监控平台、光纤光栅解调主机、主光缆、第一监测支路、第二监测支路，第一监测支路、第二监测支路分别用于监测相邻的两个隧道的状况，第一监测支路、第二监测支路均包括若干个光纤光栅传感器组，各光纤光栅传感器组均通过传输光缆与光缆分纤盒连接，光缆分纤盒与光纤光栅解调主机通过主光缆连接，光纤光栅传感器组包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，监控平台用于接收光纤光栅解调主机的数据，监控平台包括监控主机，监控主机包括对监测的数据进行分析的处理器，光纤光栅解调主机包括机箱及设置在机箱内的光源模块、光耦合器、光环形器、光解调模块，光源模块采用波长扫描型光纤激光器，光纤光栅解调主机还具有报警模块，在监测到的数据超出设定值后，报警模块可向报警主机发出超温报警、超应变报警信号。

进一步地，同一隧道内的各所述光纤光栅应变传感器在沿隧道长度方向均布。

进一步地，光纤光栅应变传感器通过底座固定在隧道内相应的钢结构表面，底座上设有螺栓固定孔。

进一步地，所述光纤光栅解调主机具有显示屏，用于显示监测到的数据。

进一步地，所述报警主机上设有闪烁指示灯，报警主机包括声光报警单元。

本实用新型的有益效果：本实用新型基于光纤光栅的隧道监测系统在应用时，光纤光栅解调主机内部光源模块将光信号通过光缆发送至光纤光栅传感器，光纤光栅传感器再将采集到的实时信息反射给光纤光栅解调主机，并进行解调处理从而得到传感器采集的温度和应变信息。光纤光栅解调主机能够对监测数据进行显示、存储，当监测到的数值超限时，主机可以输出超温报警、超应变报警信号，以告知相关维修人员去故障地及时抢修处理。光纤光栅解调主机还可将监测数据发送至监控平台，监控平台对数据进行分析，可对隧道内温度、结构情况进行评估，便于对隧道安全管理，就隧道内的薄弱点或危险点可预先加固处理，或提前做好防范措施，降低隧道出现坍塌等事故的概率。

附图说明

图1是本实用新型基于光纤光栅的隧道监测系统的实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型基于光纤光栅的隧道监测系统的实施例：如图1所示，包括监控平台、光纤光栅解调主机、主光缆、第一监测支路、第二监测支路，第一监测支路、第二监测支路分别用于监测相邻的两个隧道2的健康状况。

在介绍本实施例的结构与原理之前，先介绍一下技术术语。光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术。所谓“调制”，指的是外界信号的变化引起光纤中传输的光波的物理特征参量如强度、波长、频率、相位和偏振态等发生变化的过程。所谓“解调”，是指将外界信号引发的光波物理特征参量的变化提取出来并按需要进行数据处理的过程。换而言之，“调制”过程即光波“感知”外界信号的变化，“解调”过程是利用各类分析设备对受到外界信号调制的光波进行处理。

光纤光栅：一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此广泛应用于光纤通信和传感领域。

监控平台用于接收光纤光栅解调主机的数据，可以通过以太网连接，监控平台包括监控主机，监控主机包括对监测的数据进行分析的处理器，并能将数据图形化显示，方便监控人员实时监测管理。监控平台还可以查看监测信息历史记录，通过对记录的数据信息分析，可以得到有效的隧道状态情况。监控平台根据大数据逻辑运算结果，为地下车行通道运营现状、工程服务寿命及运营期结构状况提供评估，及时发现地下车行通道可能存在的损伤和质量退化，保证结构安全。

光纤光栅解调主机包括机箱及设置在机箱内的光源模块、光耦合器、光环形器、光解调模块、主板。机箱采用2U高19英寸标准上架式机箱。光纤光栅解调主机具有15个光纤布拉格光栅传感器的采集通道，光源模块采用波长扫描型光纤激光器，具有20dB的信号增益能力。采样频率在2-2KHz之间，可以测量高、低速变化的温度、应变等物理参数。每个光学通道具有80nm波长范围，单通道最大可同时连接128个FBG传感器。光纤光栅解调主机具有显示屏，用于显示监测到的数据。光纤光栅解调主机还具有报警模块，在监测到的数据超出设定值后，报警模块可向报警主机发出超温报警、超应变报警及故障报警信号。光纤光栅解调主机与报警主机通信连接，报警主机具有声光报警单元、闪烁指示灯，接收报警信号后，闪烁指示灯会闪烁。光纤光栅解调主机通过立杆安装在隧道附近，立杆上设有水平固定架，水平固定架上设有螺栓穿孔，通过螺栓将光纤光栅解调主机的机箱固定。

光纤光栅解调主机具体工作时，光纤光栅解调主机内部光源模块将光信号通过光缆发送至传感光缆或光纤光栅传感器，传感光缆或光纤光栅传感器再将采集到的实时信息反射给光纤光栅解调主机，并进行解调处理从而得到传感器采集的温度和应变等信息。光纤光栅解调主机能够对监测数据进行显示、存储，建立检测信息历史记录及分析回放，同时可以输出超温报警、超应变(压力)报警及故障报警信号，报警方式采用声光报警。光纤光栅解调主机与报警主机通信连接。

第一监测支路、第二监测支路均包括3个光纤光栅传感器组1，各光纤光栅传感器组1分别设置在隧道2内的不同位置，沿其长度方向间隔布置。各光纤光栅传感器组1均通过独立的传输光缆与光缆分纤盒连接，传输光缆还连接有区域控制器(ACU)。光缆分纤盒与光纤光栅解调主机通过主光缆连接，光纤光栅传感器组1包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，同一隧道内的各所述光纤光栅应变传感器在沿隧道长度方向均布。

光纤光栅应变传感器通过底座固定在隧道内相应的钢结构表面，底座上设有螺栓固定孔。通过紧固件可将光纤光栅应变传感器固定在待监测的钢结构上。既可以进行长期监测，又可以在短期内监测完后重复使用。

光纤光栅温度传感器适用于不同钢结构表面或内部的温度长期监测，实现准分布式精确测温。光纤光栅温度传感器的封装材料采用绝缘等级高、耐高温的高分子材料。光纤光栅温度传感器体积小，不影响被测设备的正常运行，且安装方便可靠。

本实用新型基于光纤光栅的隧道监测系统的原理：

利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法在纤芯内产生一段折射率固定的光栅，实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。当外界物理量如应力、温度等发生变化时，因应力导致的纤芯形变或因温度导致的热胀冷缩效应均能使光栅的间距发生改变，进而引起光栅折射率变化，使反射的波长产生位移。将来自光源的光经过光纤送入传感器，使待测参量与进入传感器的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、相位、偏振态等)发生变化，再经过光纤回传到解调设备，经解调后，获得被测参数的值。解调后的数据，经过光纤光栅解调主机分析，与设定的安全值对比，监测数据值超出设定值时，会发出报警信号。

本实用新型基于光纤光栅的隧道监测系统主要功能：(1)隧道温度监测，避免使用传统温度传感器时蒸汽、尘土、烟雾等因素对温度数据的影响，快速、精确、实时地测量隧道内温度的变化，出现异常突变时通过主机向用户进行声光报警；(2)隧道结构监测，实时测量隧道内壁的受压及形变情况，出现异常突变时通过主机向用户进行声光报警；该功能主要预防隧道某区段短时间受到冲击后引发的坍塌；(3)轨道结构变化规律分析，对整条隧道进行分段建模，并将温度和应变数据填充到对应的区段内完善和改进数据模型；建模工作完成后，能结合实时的温度和应力变化对隧道结构变化规律进行分析预测，为建设和运营期结构状况的评估、运营现状以及工程服务寿命的预测提供决策依据，预防安全事故的发生；(4)报警功能，根据设置的每个监测点温度、应变(压力)报警门限值，进行实时判断，当采集值超过门限值时，对超限点进行闪烁显示，同时通过声光报警单元进行声光报警；(5)显示功能，根据现场隧道实际形状，进行3维图形化显示，对布设的温度、应变(压力)测点进行图形化标注显示；(6)数据存储回放功能，系统根据设置的记录密度、数据内容进行历史数据记录，当需要进行历史信息追溯时，可对记录数据进行回放分析；同时能够在监控平台上存储3个月以上的原始数据和分析数据，方便进行历史查询和求证；(7)监测数据上传，向上层数据平台提供数据接口，支持主动上传和查询应答等多种数据上传方式。

本实用新型基于光纤光栅的隧道监测系统有如下的特点：(1)灵敏度高，利用光波动参数特别是相位变化来检测物理量，可使光纤传感技术能够仪能够解调出非常微弱的物理量变化；而且由于光纤本身的特性，测量信号在传输过程中基本无损耗发生，也基本不受外界信号干扰，从而获得很高的灵敏度。(2)传感参量多，在一根光纤上可以制成传感不同物理量的传感器。(3)适应性强，采用光纤作为信号传输的介质和传感元件，能够抗电磁干扰，防雷击、防水防潮，同时耐高低温、耐水火、耐高压、耐腐蚀化学性能稳定。适用于长时间的水下或潮湿、高温和易燃、易腐、易爆、强电磁干扰等较恶劣的环境中测量。另外，光纤体积小、重量轻、光纤质软可弯曲、几何形状可塑，适应性强。可做成各种形状的传感器和传感器阵列，便于布设，还可几乎无损地植于大型结构体中实现大范围的分布式智能化检测。(4)安全性好，光纤传感器是无电源驱动的调制器，具有本质安全的特点。故应用于测量中时，不存在漏电及电击等安全隐患。(5)使用寿命长，光纤的主要材料是石英玻璃，外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于传统传感器更强的耐久性。

本实用新型基于光纤光栅的隧道监测系统的技术要求：

Claims (5)

1.基于光纤光栅的隧道监测系统，其特征在于：包括监控平台、光纤光栅解调主机、主光缆、第一监测支路、第二监测支路，第一监测支路、第二监测支路分别用于监测相邻的两个隧道的状况，第一监测支路、第二监测支路均包括若干个光纤光栅传感器组，各光纤光栅传感器组均通过传输光缆与光缆分纤盒连接，光缆分纤盒与光纤光栅解调主机通过主光缆连接，光纤光栅传感器组包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，监控平台用于接收光纤光栅解调主机的数据，监控平台包括监控主机，监控主机包括对监测的数据进行分析的处理器，光纤光栅解调主机包括机箱及设置在机箱内的光源模块、光耦合器、光环形器、光解调模块，光源模块采用波长扫描型光纤激光器,所述光纤光栅解调主机还具有报警模块，在监测到的数据超出设定值后，报警模块可向报警主机发出超温报警、超应变报警信号。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的隧道监测系统，其特征在于：同一隧道内的各所述光纤光栅应变传感器在沿隧道长度方向均布。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的隧道监测系统，其特征在于：光纤光栅应变传感器通过底座固定在隧道内相应的钢结构表面，底座上设有螺栓固定孔。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的隧道监测系统，其特征在于：所述光纤光栅解调主机具有显示屏，用于显示监测到的数据。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的隧道监测系统，其特征在于：所述报警主机上设有闪烁指示灯，报警主机包括声光报警单元。