分布式光纖傳感器大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

豆朋達,溫宗周,馬亞龍，高園平,薛冬旺,錢佳佳

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

分布式光纖傳感器大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

豆朋達,溫宗周,馬亞龍，高園平,薛冬旺,錢佳佳

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

本文研究了一種基于分布式光纖傳感器的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可實時監(jiān)控、預(yù)警大壩溫度、應(yīng)變、裂紋、位移和滲漏等信息，監(jiān)測大壩上下游水位信息、區(qū)域降雨量信息等，旨在大壩施工和運行期間監(jiān)測大壩的各個安全參數(shù)，確保大壩的安全。系統(tǒng)采用了分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，集成光纖的感應(yīng)和傳輸功能于一體，為防御大壩可能造成的洪水災(zāi)害,提供快速技術(shù)支撐。

分布式光纖傳感器；大壩；安全監(jiān)測

引 言

本文設(shè)計了一種基于分布式光纖傳感器，可連續(xù)立體式監(jiān)測、定位精確、測量精度高、實時性和抗干擾性高的水庫大壩實時監(jiān)測系統(tǒng)，為水庫大壩的防汛搶險，提供實時監(jiān)測預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

分布式光纖傳感器是利用光纖背向散射光所攜帶的信號，對光纖沿線的設(shè)施進行監(jiān)測的一種傳感器[1]?？梢员O(jiān)測溫度、位移、應(yīng)變、裂紋和滲漏等影響大壩安全的因子；傳輸過程中，光纖本身既是傳感介質(zhì)，又是傳輸介質(zhì)，可在光纖的整個長度上，對沿線分布的因子進行連續(xù)、實時監(jiān)測，同時可獲得被測量的空間位置[2]。分布式光纖傳感器具有無輻射干擾、抗電磁干擾性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點。

本設(shè)計包括智能測控裝置MCU、測量大壩安全相關(guān)參數(shù)應(yīng)變、裂紋、溫度、滲漏、位移的分布式光纖傳感器。該監(jiān)測系統(tǒng)同時包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和中心站，如圖1所示。其中，測控裝置和相關(guān)光纖傳感器共同組成分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。光纖傳感器對大壩需要監(jiān)測的參數(shù)進行傳感監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集上述參數(shù)，輸入數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行分析；故障診斷系統(tǒng)用于診斷大壩是否出現(xiàn)故障；預(yù)警系統(tǒng)實時啟動預(yù)警。壩區(qū)降雨量采用雨量桶采集監(jiān)測，水位采用水位計采集監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)由智能測控裝置MCU、光纖接收模塊和光纖發(fā)送模塊、電源模塊、存儲模塊、通信模塊、人機交互模塊、傳感器模塊和通道選擇模塊共同組成，如圖2所示。

圖2 光纖監(jiān)測系統(tǒng)圖

考慮到現(xiàn)場應(yīng)急供電實際情況，均采用太陽能電池板加鋰電池的供電方式。采用STM32F104ZET6作為主控芯片，采用3.3 V供電，選取LM1117-3.3 V芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，電路圖如圖3所示。而太陽能板和鋰電池電源都是12 V，因此需先將12 V電源通過LM2576S芯片轉(zhuǎn)換為5 V再供給MCU，電路圖如圖4所示。通信模塊采用GPRS通信，使用的是SIM9000芯片，電路圖如圖5所示。對于大壩上下游水位的監(jiān)測采用WYS-III型壓力式水位計，它是12 V供電，RS485通信方式，遵循modbus協(xié)議。對于降雨量的監(jiān)測，采取在壩區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)雨量桶進行監(jiān)測，雨量桶采集反饋的信號是脈沖信號。其他模塊電路圖較為常見，不做說明。

圖3 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路圖

3 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

在大壩安全監(jiān)控中溫度數(shù)值是最重要的，它不僅表明大壩的溫度值變化，而且對大壩滲漏、位移、應(yīng)變和裂紋數(shù)據(jù)監(jiān)測的準確性都有影響，因此對溫度的監(jiān)測必須隔絕其他因素的干擾，準確地為其他數(shù)據(jù)的監(jiān)測提供基準溫度值。

基于拉曼背向散射和光時域反射(Optical Time Domain Reflectomete-r，OTDR)設(shè)計的分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，它是依靠光纖本身散射來進行溫度測量的，當一束脈沖光進入光纖后，會與光纖中的分子、雜質(zhì)相互作用，發(fā)生拉曼散射[3]。它是由于光纖分子的熱振動和光子間相互作用，進行能量交換產(chǎn)生的。一部分光能轉(zhuǎn)換成為熱振動，會產(chǎn)生斯托克斯光(Stokes光)，一部分熱振動轉(zhuǎn)化為光能，會產(chǎn)生反斯托克斯光(Anti-Stokes光)[2]。其中，Stokes光與溫度無關(guān)，而Anti-Stokes光的強度隨著溫度的變化而變化。監(jiān)測系統(tǒng)通過測量入射光和反射光之間的時間差來標定光纖長度，定位監(jiān)測位置；通過測量和分析拉曼散射中的Anti-Stokes光的頻率差計算被監(jiān)測點的溫度。

該系統(tǒng)由測溫主機、測溫多模光纖構(gòu)成，如圖6所示。脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖光經(jīng)過WDM，耦合進入光纖，產(chǎn)生的散射光經(jīng)過WDM后濾出Stokes和Anti-Stokes光，經(jīng)APD探測到，再將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過放大處理后，雙通道數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳送給MCU，進而發(fā)送至計算機供工作人員查看。

圖4 12 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

考慮距離入射端為L處的散射光強度，Stokes拉曼散射光和Anti-Stokes拉曼散射光的光功率可分別表示為：

(1)

(2)

以Anti-Stokes光為感光曲線，Stokes光為參考信道，用Stokes光去解調(diào)Anti-Stokes光曲線，兩通道之間的光功率之比為：

(3)

圖5 通信模塊電路圖

圖6 光纖溫度傳感器監(jiān)測系統(tǒng)圖

溫度為T1時光纖沿線光功率之比為：

(4)

利用T1來解調(diào)任意溫度下的測量值T，則：

(5)

OTDR技術(shù)用來確定光纖上的空間位置信息，如果從光脈沖進入光纖時開始計時，設(shè)光纖上某點產(chǎn)生的背向散射光返回到探測器所需要的時間為t，則t與該散射點到入射端的距離L滿足關(guān)系為：

(6)

其中，v為光在光纖中的傳播速度，因此由上式可得數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)在光纖上的具體位置。

3.2 分布式光纖滲漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

大壩中滲漏的監(jiān)測同樣是依據(jù)監(jiān)測大壩溫度的變化來判斷是否出現(xiàn)滲漏，以及滲漏發(fā)生的空間位置。滲漏的水流在與光纖接觸時，會出現(xiàn)熱傳遞，使得滲漏部位與非滲漏部位的溫度產(chǎn)生差異，尤其是滲漏水流的流速越大，溫度差異就越大。因此需要兩條光纖測量溫度，一條所測溫度值作為基準溫度值，另一條光纖監(jiān)測滲漏溫度變化。這樣就需要保護基準光纖溫度值不被滲流干擾。

[3]中使用人為加熱法增加溫度差異，但光纖布設(shè)都在狹小的空間內(nèi)，人為加熱光纖雖然會增大溫度差異，但也會對光纖滲漏傳感器溫度值產(chǎn)生影響；并且使用此加熱法不能實時監(jiān)測滲漏情況。本文在設(shè)計時充分考慮這點，在布設(shè)時光纖滲漏傳感器緊貼大壩心墻，監(jiān)測滲漏情況；光纖溫度傳感器外敷設(shè)防水材料，不貼心墻，只測大壩心墻空間溫度，為光纖滲漏傳感器測量溫度提供基準。另一方面，當監(jiān)測出有溫度差異時，再次使用加熱法精確測量滲漏點。這樣既可實時監(jiān)測滲漏點，又可精確檢測，也可根據(jù)光纖中溫度變化的距離、溫度突變的時間計算出滲漏的流速。

3.3 分布式光纖位移監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

參考文獻[5]中光纖位移傳感器通過內(nèi)部敏感元件來檢測位移，但是此方法結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、量程小、布設(shè)困難、無法直接獲得位移數(shù)據(jù)。而參考文獻[7]中光纖位移傳感器是通過結(jié)構(gòu)分布式應(yīng)變積分獲得結(jié)構(gòu)位移，測量誤差大。因此本文使用參考文獻[9]中設(shè)計研發(fā)的基于光纖光柵定位的OTDR位移傳感器，此傳感器具有位移數(shù)據(jù)無需積分、量程大、結(jié)構(gòu)簡單、易于布設(shè)等特點。

本文中監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)光纖光柵后向反射光與后向布里淵散射光方向相同，光功率差異大等特性,通過OTDR實現(xiàn)光柵定位。因此光柵位置點將有一個對應(yīng)的反射事件，當出現(xiàn)位移變動時，就會引起光時域譜上2個光柵反射事件的空間位移發(fā)生相對變化，從而實現(xiàn)位移的測量。具體做法是在分布式傳感光纖上串接2個光纖光柵，作為位置指示器，當2個光柵之間的位移發(fā)生變化時，就可測得位移的變化。

光纖最大的應(yīng)變量大約是10 000 με，超過光纖的極限應(yīng)變后光纖將會斷裂損壞[9]，按照應(yīng)變位移理論，位移傳感器量程與結(jié)構(gòu)的受載長度相關(guān)，如下式所示：

(7)

(8)

其中，KD為位移傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，ΔL0為受載結(jié)構(gòu)位移。由式(7)、(8)可知，如果結(jié)構(gòu)位移一定時，可以通過增大受載光纖段數(shù)來增大光柵間距，實現(xiàn)靈敏度系數(shù)的提高。

3.4 分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)在應(yīng)用中，利用WDM將許多不同中心波長FBG串聯(lián)于一根光纖中，構(gòu)成應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)[4]。本設(shè)計中使用基于FBG技術(shù)的光纖應(yīng)變傳感器，此傳感器可埋設(shè)于大壩壩體、心墻或壩基內(nèi)部，對大壩內(nèi)部水平、垂直方向上的應(yīng)變進行實時監(jiān)測。當入射光進入光纖時，布拉格光柵FBG會反射特定波長的光，該波長滿足條件如下：

(9)

其中，λA為反射光的中心波長；nR為光纖的有效折射率；Λ為FBG的柵距。當光柵受到拉伸或者受熱時，λA增大；當光柵壓縮或者遇冷時，λA減小。λA隨溫度和應(yīng)變的變化而變化，如下所示：

(10)

其中，ΔλA為中心波長的變化量；λA0為不受外力溫度為0 ℃時，該光柵的初始中心波長；Δε和ΔT分別為光柵所受的應(yīng)變和溫度的變化量；α、ζ和pR分別為光纖的熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)和光彈系數(shù)，式(1)可改寫為：

(11)

(12)

(13)

(14)

3.5 分布式光纖裂紋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

圖7 裂紋檢測示意圖

大壩體積巨大，出現(xiàn)裂紋的幾率大、延伸范圍廣、時間不確定。本設(shè)計使用基于瑞利散射的光纖裂紋傳感器可實時、連續(xù)監(jiān)測裂紋情況。當大壩出現(xiàn)裂紋時，埋入其中的光纖會在裂縫上下兩個面生成兩個彎曲，從而引起光信號出現(xiàn)局部高損耗，如圖7所示。利用OTDR探測光損耗的位置，可推知在相應(yīng)位置是否存在裂紋，據(jù)此，無論大壩中何處出現(xiàn)裂紋，只要與埋入的光纖斜交即可被感知。如果兩根成一定夾角的光纖穿過裂紋，還可監(jiān)控裂紋的寬度和發(fā)展趨勢。

根據(jù)光纖后向瑞利散射光衰減規(guī)律，可推知相應(yīng)的大壩壩體裂紋方程為：

(15)

(16)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測時，智能測控裝置MCU會根據(jù)內(nèi)部設(shè)置好的采樣時間，分別對光纖應(yīng)變、裂紋、溫度、滲漏和位移傳感器采集到的信號進行遙測。當中心站通過以太網(wǎng)向MCU發(fā)出遙測指令的時候，MCU可以通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示，當數(shù)據(jù)采集傳輸至上位機后，上位機進行分析處理數(shù)據(jù)，為大壩安全施工運營提供保障。上位機對于各個參數(shù)的遙測采用輪訓(xùn)的方式逐個測量，當某一監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閥值，報警模塊則會啟動報警。對于大壩水位和降雨量的采集采取人工或定時采集，本系統(tǒng)設(shè)定時間為10分鐘采集一次數(shù)據(jù)。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖

5 傳感器的布設(shè)

由于光纖的精巧、纖細與混凝土等現(xiàn)場作業(yè)的粗放性之間的懸殊反差，要實現(xiàn)大壩的監(jiān)測，就必須解決光纖傳感器的布設(shè)工藝問題。也就是說安裝好的光纖傳感器既要能保證光纖的安全，又要保證測量的精準。光纖的纖芯和包層是二氧化硅構(gòu)成的，當埋入混凝土?xí)r，需充分考慮混凝土的高堿、高水環(huán)境對光纖的損害，因此在包層表面涂覆高分子聚合物，光纖端面也使用水密套管保護起來，免受周圍環(huán)境的侵蝕。

光纖傳感器通常布設(shè)于大壩心墻、鉆孔和壩基內(nèi)。溫度傳感器布設(shè)時需做好防水和涂覆材料的合理使用，為工作人員提供精確溫度值，為測量其他數(shù)據(jù)提供可靠基準值。位移傳感器通常在每個光柵處固定光纖，監(jiān)測兩點位移變化。應(yīng)變傳感器布設(shè)時采取多段環(huán)繞壩體布設(shè)，這樣可最大地承受壩體應(yīng)力，保證光纖不斷裂。裂紋傳感器一是布設(shè)于大壩心墻和鉆孔內(nèi)，實時監(jiān)測大壩裂紋情況；二是布設(shè)于裂紋上方，實時監(jiān)測裂紋的發(fā)展情況。

6 實驗驗證

6.1 分布式光纖溫度、滲漏傳感器實驗

分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)探測到的拉曼信號很微弱，不易被發(fā)現(xiàn)，為了得到準確的溫度數(shù)值，需要對光纖中的信號進行去噪處理。實驗采用100 m/s的數(shù)據(jù)采集卡、響應(yīng)時間為10 ns的APD、脈沖寬度為10 ns的脈沖發(fā)生器。據(jù)上分析，搭建實驗系統(tǒng)進行實驗，實驗得出本系統(tǒng)空間分辨率為1 m。

將光纖至于溫室20 ℃的環(huán)境下，得到的溫度曲線如圖9所示。實驗中采用的光纖長度為1 000 m，實驗所示溫度測量誤差在±2 ℃范圍內(nèi)。截取中間一段光纖區(qū)域溫度曲線圖如圖10所示。

圖9 20℃溫度曲線圖

圖10 500～700m光纖溫度曲線圖

使用加熱板對光纖中任意一個位置加熱，促使溫度改變，監(jiān)測溫度值的變化。實驗中將光纖500 m處加熱至40 ℃，監(jiān)測溫度值，得到的溫度曲線如圖11所示。

圖11 500m處光纖溫度曲線圖

6.2 分布式光纖位移傳感器實驗

布設(shè)一位移傳感器，在其上植入3個光纖光柵，進行位移變化測試。在實驗中布設(shè)4段3.96 m受載光纖，加載位置為1 cm、2 cm、3 cm，對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)? 525.3 με、5 050.5 με、7 575.8 με，保證加載應(yīng)變小于極限應(yīng)變。實驗中固定光纖一端作為基準點，另外一端通過拉伸改變位移，實現(xiàn)位移的測量。測試空間分辨率分別為2 cm(脈沖寬度為0.2 ns)，采樣間隔為1 cm，整個實驗過程在室溫下進行。從圖12中可清晰地看到有3個光纖空間位置，與預(yù)先設(shè)置的3個光纖光柵吻合。

圖12 位移傳感器實驗圖

6.3 分布式光纖應(yīng)變傳感器實驗

拉伸實驗結(jié)果表明，F(xiàn)BG的中心波長和施加的軸向位移具有極好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r2接近1。實驗中未發(fā)現(xiàn)任何讀數(shù)延遲現(xiàn)象，說明FBG可以制成優(yōu)異的應(yīng)變傳感器。如圖13所示，可得到該光柵率定值為1 497.2 nm/mm，初始中心波長λA0為1 544.3 nm。在撓曲實驗中，光纖應(yīng)變傳感器和傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器讀數(shù)基本吻合，如圖14所示。

圖13 拉伸實驗結(jié)果

圖14 撓曲實驗結(jié)果

結(jié) 語

參考文獻

[1] 歐陽步云. 分布式光纖傳感技術(shù)在智能大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(6)：6-7.

[2] 韓博，周越文，郭學(xué)玲，等. 基于光纖溫度傳感器的分布式溫度測量系統(tǒng)設(shè)計[J]. 測控技術(shù)，2016(9):20-24.

[3] 彭俊元. 分布式光纖溫度傳感滲漏監(jiān)測技術(shù)研究進展[J]. 中小企業(yè)管理與科技(上旬刊)，2016 (11):150-151.

[4] 朱鴻鵠，殷建華，張林，等. 大壩模型試驗的光纖傳感變形監(jiān)測[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008(6)：1188-1194.

[5] 朱趙輝，任大春，李秀文，等. 光纖光柵位移計組在圍巖變形連續(xù)監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2016，38(11)：2093-2100.

[6] 吳永紅，蘇懷智，高培偉. 混凝土大壩裂縫光纖監(jiān)測關(guān)鍵性基本問題的協(xié)同研究[J].水利發(fā)電學(xué)報，2007，26(4)：120-123.

[7] 李術(shù)才，王凱，李利平. 海底隧道新型可拓寬突水模型試驗系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33(12)：2409-2418.

[8] 陳從平，聶葳，吳喆，等. 基于視覺機器人的大壩水下表面裂縫檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016(5):72-74，86.

[9] 李劍芝，徐龍祥，孫寶臣. 基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器[J]. 天津大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2016(6):653-658.

[10] 張興，王俊杰，彭偉華. 內(nèi)嵌式微腔光纖法布里-珀羅應(yīng)變傳感器的研制[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2016(1):80-83.

[11] 呂衍恒，劉磊，齊文艷. 光明水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)探討[J]. 工程管理，2016(10)：7-8.

[12] 王文娟，宋昊，吳天，等. 基于光纖光柵傳感器內(nèi)埋的復(fù)合材料加筋板沖擊位置識別[J]. 航空制造技術(shù)，2016(15):103-109.

[13] 胡蔣明，張曉青，賈豫東. 3km分布式多模光纖溫度報警系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代計算機：專業(yè)版，2016(6):78-82.

[14] Wylie M T V，Colpitts B G，Brown A W. Fiber optic distributed differential sensor[J]. Journal of Lightwave Technology，2011，29(18)：2847-2852.

[15] Sun Jian. Application research of fiber gtating displacement sensor in slope monitoring[J]. Industry and Mine Automation，2014，40(2)：95-98.

豆朋達(碩士研究生)、溫宗周(副教授)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)。

Dam Safety Monitoring System Based on Distributed Optical Fiber Sensor

Dou Pengda,Wen Zongzhou,Ma Yalong, Gao Yuanping,Xue Dongwang,Qian Jiajia

(College of Electronics and Information,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

In the paper,a monitoring system of dam based on distributed optical fiber sensor is researched.This system can achieve in real-time monitoring,early warn the dam informations such as the temperature,the strain,the crack and the leakage,and monitor the informations such as the dam upstream and downstream water level,the area rainfall.That can ensure the safety of the dam.A distributed optical fiber monitoring system is designed,and the optical fiber sensing and transmission functions are integrated,that can provide technical support for the dam defense.

distributed optical fiber sensor;dam;safety monitoring

TV871.4

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2017-02-16)