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摘要：电缆隧道分布式光纤应力监测系统利用光纤作为传感器,采用光纤介质中的布里渊散射光时域反射原理(简称BOTDR),实时监测电缆隧道的形变、沉降等,测量精度高，定位准确，安全可靠。能够实现在线监测,实时反馈隧道应力形变状况, 能够做到隧道安全问题的早期预报,及时预防。
关键词：应力光纤；应力形变监测；分布式；布里渊散射
1引言
基于布里渊散射的电力沟道分布式光纤应力形变监测系统采用BOTDR测应力原理对电缆隧道的形变、沉降、坍塌等实时监测，并将采集到的每个点的应力信息进行对比处理，解调出隧道应力形变潜在的安全隐患，做到实时、早期预报，防患于未然。该技术在所需测量的电缆隧道顶表面安装探测光缆，即可得到隧道顶部应力分布情况，实现实时在线监测，确保隧道运行安全。
2光纤应力监测技术基本原理
光纤应力监测技术利用光纤作为传感器，其主要工作原理是布里渊散射和光时域反射原理。由于介质分子内部存在的一定形式的振动，引起介质折射率随时间和空间周期性起伏，从而产生自发声波场。光定向入射到光纤介质时受到该声波场的作用则产生布里渊散射。
图1 光纤反向散射光的频域分布图
布里渊散射光频移会随着光纤应变的上升而线性增加：fB=fB0+fεε(με) 通过测量布里渊散射光频移,就可以求得被测量点的应变大小。
利用光时域反射原理(OTDR),根据光在光纤中传播速度和后向散射光的时间, 准确定位散射点的位置,可以将光纤沿线各点的应变信息按实际距离进行表示。
分布式光纤应力监测系统的实现正是采用上述两种原理的结合，即BOTDR。将激光器发出激光脉冲至传感光纤,同时将散射回来的布里渊散射光分离出来。系统对分离出来的布里渊光频谱连续不断的进行循环扫描,获得光纤各个位置的布里渊频谱图,从而获得光纤各个位置的布里渊光谱频移量,从而通过算法计算出光纤各个位置的应变大小。
3 BOTDR应用概述
BOTDR技术起初应用于航天领域，在发达国家相继应用于电力、通讯、工程等领域，工程领域主要应用于桥梁、大坝、隧道等大型基础工程的安全监测，并取得很多成功的经验，尤其在土木、交通、地质工程及地址灾害防治等领域的应用也受到了各国研究机构的普遍重视，发展前景十分良好。从90年代开始，我国就开始了光纤传感技术的应用研究。目前，国内BODTR技术主要应用于隧道、桥梁、管道等构筑工程的形变监测中，并取得一定成果。
大型基础工程在各种荷载和外部环境作用下，会发生不同程度的变形，这种变形在开始阶段一般用肉眼不易观察到且分布不均匀，应变量常常只有10－5～10－7数量级，主要集中在结构物的应力集中区。此外，对于大型基础工程的形变监测，还有以下一些特点：工程规模大，工程环境差异性大，实时动态性监控要求高、监测精度要求高。显然，传统的监测技术和方法已不能完全满足其监测要求，需要一种新的监测技术和方法与之适应。BOTDR的分布式、长距离、远程实时监控以及光纤耐久性好的特点正好弥补了传统监测技术的不足。因此，研究和开发BOTDR技术对大型基础工程变形监测的应用技术具有重要意义。
图2 分布式光纤应力监测系统结构
本文讲述了BOTDR技术在电缆隧道应力形变监测中的应用。BOTDR用于隧道形变测量和监控具有以下几个特点：
1．分布式——BOTDR实现了最大空间分辨率1m的分布式应变测量。根据隧道现场情况，应用各种特定的铺设方式，可以避免监测点选择的主观臆断，能够对隧道结构整体情况进行监测。
2．累积损伤的监测——BOTDR适合对结构体累积损伤的监测。通过与过往数据的比较，能够清晰地发现微小变化在时间轴上对于隧道结构体的影响。通过数学模型等分析方法，对于结构体未来的发展方向进行预判，对可能出现的事故和质量问题进行提前预警。
3．长距离——BOTDR的标称测量距离最大可以达到80km，完全满足各种隧道结构体的要求
4．实时性——BOTDR实现数据的实时采集，能够反映隧道结构体的当前应力形变状态，做到实时动态监测。
4分布式光纤应力监测系统在电力隧道中的具体应用
4.1系统结构
整个分布式光纤应力监测系统包括系统主机、监控系统软件及应变光缆组成。
系统主机：主要功能是收集由光纤传感器传来的数据，进行数据的采集、初步处理和存储等。监控系统软件：主要负责数据统计、报警管理等。应变光缆则铺设在待测构筑物内部或表面，与构筑物保持同步形变。分布式光纤应力监测系统结构如下图所示
监测系统工作时，激光器发出激光脉冲传感光纤，同时接受返回光并将布里渊散射光分离出来，系统对分离出来的布里渊光频谱连续不断地进行循环扫描，获得光纤各个位置的布里渊频谱图，从而获得光纤各个位置的布里渊光谱频移量，然后通过一系列算法计算出光纤各个位置的应变大小。
4.2 应变探测光缆铺设方式
为了使光纤准确反映被测构筑物的应变状态，必须使光纤与构筑物同步变形。为了确保这一点，光纤铺设的方式目前主要有两种：一种是用专用或特制的粘结剂将光纤粘贴在被测构筑物上，这种方法主要用于已建构筑物的监测；另一种是将光纤植入构筑物中如钢筋混凝土中，这种方法主要用于在建构筑物及其竣工后的安全质量监测。两种铺设方式中，均需保证光缆不被损坏，并将将光纤拉直、微微受力绷紧。针对具体的构筑物的变形，还应设计出更多其他的铺设方式，以满足不同工程变形监测的要求
本项中光缆的铺设采用第一种方式，由位于中控室内的系统监控主机引出应变探测光缆，经电缆夹层进入隧道，应变光缆安装在距地面垂直距离约1.8m的隧道侧壁处，敷设一侧，使用强力胶固定应变光缆，敷设间隔10m后，应变光缆沿顶面走到另一侧对称部，如下图所示，两侧来回绕行向前敷设，探测光缆应保持一定的伸张力状态。
图3 穹顶隧道光缆铺设示意图
对于平顶隧道，采用与穹顶相似的敷设方式，敷设完一侧后再敷设对称一侧，间隔为3米，两侧来回绕行，平顶顶部为直线敷设方式，而穹顶为弯曲敷设方式。
4.3系统主要功能及应用
4.3.1 3D显示与多窗口显示
3D显示可方便地观察光纤沿线各点的布里渊谱的分布信息。多窗口显示功能可同时观察光纤沿线各点的应变、布里渊散射谱、谱宽及散射功率分布信息。
4.3.2 远程报警与短信报警
监控系统实时将数据上传至电缆运检室，由相关责任人负责监控查看。通过在工区中控室及主要负责人个人PC上安装系统软件监控端，相关人员可通过局域网实时远程查看现场监测数据。如发生报警，软件会自动弹出对话框提醒值班人员，并提供报警数据和定位信息。通过在监控主机端安装短信报警模块，现场人员可在第一时间收到报警短信，掌握报警信息，及时排除故障。
4.3.3 组态构图
图4 3D显示功能
图5 多窗口显示功能
根据现场电缆隧道实际路由，进行组态软件构图，在软件构图中标注沿线主要井盖及建筑物，方便现场人员根据路由及隧道内标识牌，快速查找报警点。
5结论
基于布里渊散射和光时域反射原理的光纤应力形变监测系统是一套灵敏度高、精确度高，并可以进行长期实时监控的高效系统。再加上光纤传感器自身质量轻，耐久性强、抗干扰能力强的特性，整套系统非常适合应用于隧道工程的形变监测工作中。而且，针对不同的应用场合经过一定改动后其在很多大型工程中都将拥有较高的应用价值。
参考文献
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论文作者:杨博超,徐亚兵,邢昆,谷丰 李乾,孙忠周 于吉刚,
论文发表刊物:《电力设备》2016年第4期
论文发表时间:2016/6/2
标签：光纤论文; 应力论文; 隧道论文; 布里论文; 应变论文; 分布式论文; 光缆论文; 《电力设备》2016年第4期论文;