基于布里渊散射的电力沟道分布式光纤应力监测系统

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1、基于布里渊散射的电力沟道分布式光纤应力监测系统（1.国网河北省电力公司石家庄供电分公司河北石家庄050021;2.威海北洋光电信息技术股份公司山东威海264200）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

2、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木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

3、产牛.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=fBO+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。利用光吋域反射原理(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,同吋将散射冋来的布里渊散射光分离出来。系统对分离出来

4、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。3BOTDR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、人坝、隧道等人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、

5、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II分布不均匀，应变量常常只有10一5〜10—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己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、远程实吋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

6、此，研究和开发BOTDR技术对人型基础工程变形监测的应用技术具冇重要意义。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lm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.累积损伤的监测一一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

7、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.长距离一一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实现数据的实吋采集，能够反映隧道结构体的当前应力形变状态，做到实吋动态监测。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

8、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吋，激光器发出激光脉冲传感光纤，冋吋接受返冋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