分布式光纖傳感器大壩安全監控系統研究

豆朋達,溫宗周,馬亞龍，高園平,薛冬旺,錢佳佳

(西安工程大學 電子信息學院，西安 710048)

分布式光纖傳感器大壩安全監控系統研究

豆朋達,溫宗周,馬亞龍，高園平,薛冬旺,錢佳佳

(西安工程大學 電子信息學院，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控系統。系統可實時監控、預警大壩溫度、應變、裂紋、位移和滲漏等信息，監測大壩上下游水位信息、區域降雨量信息等，旨在大壩施工和運行期間監測大壩的各個安全參數，確保大壩的安全。系統采用了分布式光纖監測系統，集成光纖的感應和傳輸功能于一體，為防御大壩可能造成的洪水災害,提供快速技術支撐。

分布式光纖傳感器；大壩；安全監測

引 言

本文設計了一種基于分布式光纖傳感器，可連續立體式監測、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測系統，為水庫大壩的防汛搶險，提供實時監測預警。

1 系統總體設計

分布式光纖傳感器是利用光纖背向散射光所攜帶的信號，對光纖沿線的設施進行監測的一種傳感器[1]。可以監測溫度、位移、應變、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，又是傳輸介質，可在光纖的整個長度上，對沿線分布的因子進行連續、實時監測，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、化學穩定性好等特點。

本設計包括智能測控裝置MCU、測量大壩安全相關參數應變、裂紋、溫度、滲漏、位移的分布式光纖傳感器。該監測系統同時包括數據采集系統和中心站，如圖1所示。其中，測控裝置和相關光纖傳感器共同組成分布式光纖監測系統。光纖傳感器對大壩需要監測的參數進行傳感監測；數據采集系統實時采集上述參數，輸入數據庫，并通過數據分析系統進行分析；故障診斷系統用于診斷大壩是否出現故障；預警系統實時啟動預警。壩區降雨量采用雨量桶采集監測，水位采用水位計采集監測。

圖1 系統結構圖

2 分布式光纖監測系統硬件電路設計

分布式光纖監測系統由智能測控裝置MCU、光纖接收模塊和光纖發送模塊、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 光纖監測系統圖

考慮到現場應急供電實際情況，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協議。對于降雨量的監測，采取在壩區范圍內布設雨量桶進行監測，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3.3 V電路圖

3 分布式光纖監測系統設計

3.1 分布式光纖溫度監測系統設計

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

基于拉曼背向散射和光時域反射(Optical Time Domain Reflectomete-r，OTDR)設計的分布式光纖溫度監測系統，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、雜質相互作用，發生拉曼散射[3]。它是由于光纖分子的熱振動和光子間相互作用，進行能量交換產生的。一部分光能轉換成為熱振動，會產生斯托克斯光(Stokes光)，一部分熱振動轉化為光能，會產生反斯托克斯光(Anti-Stokes光)[2]。其中，Stokes光與溫度無關，而Anti-Stokes光的強度隨著溫度的變化而變化。監測系統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測點的溫度。

該系統由測溫主機、測溫多模光纖構成，如圖6所示。脈沖發生器發出的脈沖光經過WDM，耦合進入光纖，產生的散射光經過WDM后濾出Stokes和Anti-Stokes光，經APD探測到，再將光信號轉換為電壓信號，經過放大處理后，雙通道數據采集卡將采集到的電壓信號經A/D轉換后傳送給MCU，進而發送至計算機供工作人員查看。

圖4 12 V轉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 光纖溫度傳感器監測系統圖

溫度為T1時光纖沿線光功率之比為：

(4)

利用T1來解調任意溫度下的測量值T，則：

(5)

OTDR技術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，設光纖上某點產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，因此由上式可得數據采集卡采集到的數據在光纖上的具體位置。

3.2 分布式光纖滲漏監測系統設計

大壩中滲漏的監測同樣是依據監測大壩溫度的變化來判斷是否出現滲漏，以及滲漏發生的空間位置。滲漏的水流在與光纖接觸時，會出現熱傳遞，使得滲漏部位與非滲漏部位的溫度產生差異，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，但光纖布設都在狹小的空間內，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生影響；并且使用此加熱法不能實時監測滲漏情況。本文在設計時充分考慮這點，在布設時光纖滲漏傳感器緊貼大壩心墻，監測滲漏情況；光纖溫度傳感器外敷設防水材料，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。這樣既可實時監測滲漏點，又可精確檢測，也可根據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 分布式光纖位移監測系統設計

參考文獻[5]中光纖位移傳感器通過內部敏感元件來檢測位移，但是此方法結構設計復雜、量程小、布設困難、無法直接獲得位移數據。而參考文獻[7]中光纖位移傳感器是通過結構分布式應變積分獲得結構位移，測量誤差大。因此本文使用參考文獻[9]中設計研發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據無需積分、量程大、結構簡單、易于布設等特點。

本文中監測系統依據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實現光柵定位。因此光柵位置點將有一個對應的反射事件，當出現位移變動時，就會引起光時域譜上2個光柵反射事件的空間位移發生相對變化，從而實現位移的測量。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生變化時，就可測得位移的變化。

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

(7)

(8)

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

3.4 分布式光纖應變監測系統設計

分布式光纖應變監測系統在應用中，利用WDM將許多不同中心波長FBG串聯于一根光纖中，構成應變傳感網絡[4]。本設計中使用基于FBG技術的光纖應變傳感器，此傳感器可埋設于大壩壩體、心墻或壩基內部，對大壩內部水平、垂直方向上的應變進行實時監測。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變和溫度的變化量；α、ζ和pR分別為光纖的熱膨脹系數、熱光系數和光彈系數，式(1)可改寫為：

(11)

(12)

(13)

(14)

3.5 分布式光纖裂紋監測系統設計

圖7 裂紋檢測示意圖

大壩體積巨大，出現裂紋的幾率大、延伸范圍廣、時間不確定。本設計使用基于瑞利散射的光纖裂紋傳感器可實時、連續監測裂紋情況。當大壩出現裂紋時，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，可推知在相應位置是否存在裂紋，據此，無論大壩中何處出現裂紋，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，還可監控裂紋的寬度和發展趨勢。

根據光纖后向瑞利散射光衰減規律，可推知相應的大壩壩體裂紋方程為：

(15)

(16)

4 系統軟件設計

監測時，智能測控裝置MCU會根據內部設置好的采樣時間，分別對光纖應變、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向MCU發出遙測指令的時候，MCU可以通過GPRS無線網絡將采集數據發送給監控中心。監測系統軟件流程圖如圖8所示，當數據采集傳輸至上位機后，上位機進行分析處理數據，為大壩安全施工運營提供保障。上位機對于各個參數的遙測采用輪訓的方式逐個測量，當某一監測數據超過閥值，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，本系統設定時間為10分鐘采集一次數據。

圖8 監測系統軟件流程圖

5 傳感器的布設

由于光纖的精巧、纖細與混凝土等現場作業的粗放性之間的懸殊反差，要實現大壩的監測，就必須解決光纖傳感器的布設工藝問題。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成的，當埋入混凝土時，需充分考慮混凝土的高堿、高水環境對光纖的損害，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，免受周圍環境的侵蝕。

光纖傳感器通常布設于大壩心墻、鉆孔和壩基內。溫度傳感器布設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，為測量其他數據提供可靠基準值。位移傳感器通常在每個光柵處固定光纖，監測兩點位移變化。應變傳感器布設時采取多段環繞壩體布設，這樣可最大地承受壩體應力，保證光纖不斷裂。裂紋傳感器一是布設于大壩心墻和鉆孔內，實時監測大壩裂紋情況；二是布設于裂紋上方，實時監測裂紋的發展情況。

6 實驗驗證

6.1 分布式光纖溫度、滲漏傳感器實驗

分布式光纖溫度監測系統探測到的拉曼信號很微弱，不易被發現，為了得到準確的溫度數值，需要對光纖中的信號進行去噪處理。實驗采用100 m/s的數據采集卡、響應時間為10 ns的APD、脈沖寬度為10 ns的脈沖發生器。據上分析，搭建實驗系統進行實驗，實驗得出本系統空間分辨率為1 m。

將光纖至于溫室20 ℃的環境下，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。截取中間一段光纖區域溫度曲線圖如圖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，監測溫度值的變化。實驗中將光纖500 m處加熱至40 ℃，監測溫度值，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4段3.96 m受載光纖，加載位置為1 cm、2 cm、3 cm，對應的應變為2 525.3 με、5 050.5 με、7 575.8 με，保證加載應變小于極限應變。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，與預先設置的3個光纖光柵吻合。

圖12 位移傳感器實驗圖

6.3 分布式光纖應變傳感器實驗

拉伸實驗結果表明，FBG的中心波長和施加的軸向位移具有極好的線性相關性，相關系數r2接近1。實驗中未發現任何讀數延遲現象，說明FBG可以制成優異的應變傳感器。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，光纖應變傳感器和傳統應變傳感器讀數基本吻合，如圖14所示。

圖13 拉伸實驗結果

圖14 撓曲實驗結果

結 語

參考文獻

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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應用與開發。

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

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?迪娜

2017-02-16)