大坝脱空定位检测分布式光纤温度传感器装置.pdf

大坝脱空定位检测分布式光纤温度传感器装置，包括由双向耦合器、波分复用器、雪崩二极管、主放大器、采样平均累加器、激光器驱动器、激光二极管组件、传感光缆和监控计算机组成，其特征在于所述的传感光缆是加热传感光缆，所述双向耦合器的一端连接传感光缆，另一端与波分复用器连接，波分复用器经雪崩二极管与主放大器连接，主放大器又与采样平均累加器连接，激光器驱动器经激光二级管组件接回双向耦合器。本实用新型相对以前的方法，对于光缆的铺设要求比以前的检测装置要低，降低了铺设光缆施工成本，并且在测量温度的同时测量了瑞利信号和反斯托克斯信号，消除了周围环境对测量造成的影响，使得脱空定位检测更为直接和准确。

1.  大坝脱空定位检测分布式光纤温度传感器装置，包括由双向耦合器(1)、波分复用器(2)、雪崩二极管(3)、主放大器(4)、采样平均累加器(5)、激光器驱动器(6)、激光二极管组件(7)、传感光缆(8)和监控计算机(9)组成，其特征在于所述的传感光缆(8)是加热传感光缆(8′)，所述双向耦合器(1)的一端连接传感光缆(8)，另一端与波分复用器(2)连接，波分复用器(2)经雪崩二极管(3)与主放大器(4)连接，主放大器(4)又与采样平均累加器(5)连接，激光器驱动器(6)经激光二级管组件(7)接回双向耦合器(1)。

2.  根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器装置，其特征在于所述的加热传感光缆(8′)芯部是光纤，光纤的外层是金属中心保护套管，金属中心保护套管的外层依次为防水绝缘层、芳纶纤维以及外保护层，在芳纶纤维的载体中还有至少两条绝缘加热导电体构成的电流回路。

3.  根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器装置，其特征在于所述的加热传感光缆(8′)铺设在大坝(I)的混凝土面板与垫层之间。

4.  根据权利要求3所述的分布式光纤温度传感器装置，其特征在于所述的加热传感光缆(8′)以S蛇型紧贴垫层而盘绕铺设。

大坝脱空定位检测分布式光纤温度传感器装置
技术领域
本实用新型涉及水利工程安全防范设备领域，更进一步地，涉及一种用于大坝脱空定位检测的分布式光纤温度传感器装置。
背景技术
混凝土面板堆石坝是以堆石体为支撑结构，并在其上游坡面设置混凝土面板为防渗结构的一种堆石坝。当水的压力全部作用在混凝土面板上的时候，以前普遍认为，如果面板与垫层料的变形一致，两者之间不存在或只存在较小的脱离。但是，近些年来发现，由于面板与垫层之间材料的差异导致形变的不协调，容易产生脱空现象，严重的可达到30cm左右脱空。当混凝土面板层与垫层之间出现脱空(裂缝)时，在水的压力下，混凝土面板层就可能发生断裂，甚至发生渗漏，进而影响大坝的整体安全。脱空、空洞及坝基结构疏松是大坝的重要隐患，因此，检测脱空对大坝的安全十分重要。
脱空现象主要与混凝土材料的收缩性能有关，如常见的钢管混凝土界面因为借助内填混凝土提高了管壁的受压稳定性，增强了钢管的耐腐蚀性和耐久性，将钢管和混凝土有机的结合了起来，但是若钢管和混凝土界面出现脱空时，就会直接破坏混凝土和管壁结合的整体性，导致内部应力状态恶化，可能酿成重大事故。
针对上述原因，现有文献已经披露了采用分布式光纤传感装置检测脱空的方法，该装置检测脱空的方法主要基于瑞利散射原理的光时域技术，即将装置中的光纤沿被测场进行排列分布，并采用独特的转换机制，通过测量瑞利散射信号，将光纤与待测量脱空的界面成一小角度铺设，当界面发生脱空时，根据瑞利散射信号与光纤所受应力之间的关系，由测量到的瑞利信号求解出光纤受的应力，从而确定发生脱空的位置。
然而，采用分布式光纤传感器装置进行脱空检测的关键是在于实现被测量(力学量)到光学量(光强或损耗)的转换，对光纤在被测对象上的布置形式要求很高，这样的话，在工况复杂或者较为恶劣的工程项目中，上述装置的光纤布置要求会加大施工难度，并且给维修带来不便，从而增加工程成本。因此，还有待于进一步改进现有的脱空检测装置，以便于能够将其更为广泛的应用到各类相关的工程领域中。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种布置简单、方便施工的用于大坝脱空定位检测的分布式光纤温度传感器装置。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：该大坝脱空定位监测分布式光纤温度传感器装置，包括由双向耦合器、波分复用器、雪崩二极管、主放大器、采样平均累加器、激光器驱动器、激光二极管组件、传感光缆和用来控制上述各器件的计算机组成，其特征在于所述的传感光缆是加热传感光缆，所述双向耦合器的一端连接传感光缆，另一端与波分复用器连接，波分复用器经雪崩二极管与主放大器连接，主放大器又与采样平均累加器连接，驱动器经激光二级管组件接回双向耦合器。
为了能够及时监测到脱空部位处的温度变化，所述的加热传感光缆芯部是光纤，光纤的外层是金属中心保护套管，金属中心保护套管的外层依次为防水绝缘层、芳纶纤维以及外保护层，在芳纶纤维的载体中还有至少两条绝缘加热导电体构成的电流回路。
为了减少监测装置的铺设成本，所述的加热传感光缆铺设在大坝的混凝土面板与垫层之间，并且以S型紧贴垫层而盘绕铺设。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：由于根据瑞利散射信号与光纤所受应力之间的关系来检测脱空的方法，系统在监测过程中除所受应力影响外，还受其它诸多因素的影响，从而影响测量的准确性和精度。本分布式温度传感装置通过检测温度变化来确定脱空的位置，在测量温度的同时还测量了瑞利信号和反斯托克斯信号，消除了周围环境对测量造成的影响，可以更加准确的定位脱空的位置，而且该装置对于光缆的铺设要求比以前的检测装置要低，降低了铺设光缆施工成本，扩大了装置的使用范围。
附图说明
图1为本实用新型实施例的系统原理图。
图2为本实用新型实施例的光缆具体铺设方式。
图3为本实用新型实施例的光缆温度分布曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图1所示为大坝脱空定位检测分布式光纤温度传感器(DTS)装置，它是由双向耦合器1、波分复用器2、雪崩二极管3、主放大器4、采样平均累加器5、激光器驱动器6、激光二极管组件7、传感光缆8和监控计算机9组成，所述的传感光缆8为加热传感光缆8′，光缆的芯部带光纤，光纤的外层是金属中心保护套管，金属中心保护套管的外层依次为防水绝缘层、芳纶纤维以及外保护层，在芳纶纤维的载体中还有两条绝缘加热导电体构成的电流回路。而所述的双向耦合器1的一端连接传感光缆8，另一端与波分复用器2连接，波分复用器2经雪崩二极管3与主放大器4连接，主放大器4又与采样平均累加器5连接，激光器驱动器6经激光二级管组件7接回双向耦合器1。
分布式光纤温度传感器的测量原理是基于光纤的光时域反射原理和背向喇曼散射温度效应。脉冲激光耦合进光纤里会与光纤中的分子相互作用，一些光子被反射回来，它们携带着分子的热运动信息，反射光的光谱带有光纤的温度信息。因为光速是已知的，所以可以根据激光脉冲在光纤中的传播时间对光谱进行分析，以极短时间间隔对整条光纤扫描，就可以确定温度沿光纤的分布情况。实际工作时，激光器发出的光耦合进入光纤，由双向耦合器分离出后向散射的拉曼光，雪崩光电二极管将拉曼散射光的强度转化为电流，再经主放大器放大，采样平均和累加器采集，最后由监控软件对采集得到的电信号解调计算出温度值。
我们现在使用DTS系统，并利用测量温度的方法来进行水库大坝的脱空探测。如图2所示，将带加热铜丝的加热传感光缆8′沿S蛇形铺设在混凝土面板层与垫层之间，使得加热传感光缆8′与大坝I充分接触，并且增加了测量的精度和准确度。铺设时记录下光缆标记，将光缆长度标记与实际位置一一对应。接着，对加热铜丝加一定的电压，导通电流会使铜丝温度升高，从而引起光缆温度升高5℃，由于水的比热和混凝土的比热不同，发生脱空和没发生脱空处的温度也不同，光缆放置在空气中的温升会比放置在混凝土中高2℃。当混凝土面板层与垫层局部地区出现5mm的脱空时，该区域的温升要比其他区域的温升高1摄氏度，通过检测光缆每一点的温度，就可以判断在混凝土面板层与垫层之间是否有脱空现象。
图3所示为利用DTS系统对大坝脱空检测的实际光缆温度分布曲线图，可以看到，除在210m附近处的温度测量值为21.3℃外，整条光缆上的其他处温度测量值在19.6℃±0.1℃范围内，可以推断出在210m附近处可能出现脱空，根据光缆长度与实际位置的一一对应关系，找出210m光缆所在的实际位置，发现该处发生8～9mm的脱空。