分布式光纤传感器大坝安全监控系统研究

豆朋达,温宗周,马亚龙，高园平,薛冬旺,钱佳佳

(西安工程大学 电子信息学院，西安 710048)

分布式光纤传感器大坝安全监控系统研究

豆朋达,温宗周,马亚龙，高园平,薛冬旺,钱佳佳

(西安工程大学 电子信息学院，西安 710048)

本文研究了一种基于分布式光纤传感器的大坝安全监控系统。系统可实时监控、预警大坝温度、应变、裂纹、位移和渗漏等信息，监测大坝上下游水位信息、区域降雨量信息等，旨在大坝施工和运行期间监测大坝的各个安全参数，确保大坝的安全。系统采用了分布式光纤监测系统，集成光纤的感应和传输功能于一体，为防御大坝可能造成的洪水灾害,提供快速技术支撑。

分布式光纤传感器；大坝；安全监测

引 言

本文设计了一种基于分布式光纤传感器，可连续立体式监测、定位精确、测量精度高、实时性和抗干扰性高的水库大坝实时监测系统，为水库大坝的防汛抢险，提供实时监测预警。

1 系统总体设计

分布式光纤传感器是利用光纤背向散射光所携带的信号，对光纤沿线的设施进行监测的一种传感器[1]。可以监测温度、位移、应变、裂纹和渗漏等影响大坝安全的因子；传输过程中，光纤本身既是传感介质，又是传输介质，可在光纤的整个长度上，对沿线分布的因子进行连续、实时监测，同时可获得被测量的空间位置[2]。分布式光纤传感器具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等特点。

本设计包括智能测控装置MCU、测量大坝安全相关参数应变、裂纹、温度、渗漏、位移的分布式光纤传感器。该监测系统同时包括数据采集系统和中心站，如图1所示。其中，测控装置和相关光纤传感器共同组成分布式光纤监测系统。光纤传感器对大坝需要监测的参数进行传感监测；数据采集系统实时采集上述参数，输入数据库，并通过数据分析系统进行分析；故障诊断系统用于诊断大坝是否出现故障；预警系统实时启动预警。坝区降雨量采用雨量桶采集监测，水位采用水位计采集监测。

图1 系统结构图

2 分布式光纤监测系统硬件电路设计

分布式光纤监测系统由智能测控装置MCU、光纤接收模块和光纤发送模块、电源模块、存储模块、通信模块、人机交互模块、传感器模块和通道选择模块共同组成，如图2所示。

图2 光纤监测系统图

考虑到现场应急供电实际情况，均采用太阳能电池板加锂电池的供电方式。采用STM32F104ZET6作为主控芯片，采用3.3 V供电，选取LM1117-3.3 V芯片将5 V转换为3.3 V，电路图如图3所示。而太阳能板和锂电池电源都是12 V，因此需先将12 V电源通过LM2576S芯片转换为5 V再供给MCU，电路图如图4所示。通信模块采用GPRS通信，使用的是SIM9000芯片，电路图如图5所示。对于大坝上下游水位的监测采用WYS-III型压力式水位计，它是12 V供电，RS485通信方式，遵循modbus协议。对于降雨量的监测，采取在坝区范围内布设雨量桶进行监测，雨量桶采集反馈的信号是脉冲信号。其他模块电路图较为常见，不做说明。

图3 5 V转3.3 V电路图

3 分布式光纤监测系统设计

3.1 分布式光纤温度监测系统设计

在大坝安全监控中温度数值是最重要的，它不仅表明大坝的温度值变化，而且对大坝渗漏、位移、应变和裂纹数据监测的准确性都有影响，因此对温度的监测必须隔绝其他因素的干扰，准确地为其他数据的监测提供基准温度值。

基于拉曼背向散射和光时域反射(Optical Time Domain Reflectomete-r，OTDR)设计的分布式光纤温度监测系统，它是依靠光纤本身散射来进行温度测量的，当一束脉冲光进入光纤后，会与光纤中的分子、杂质相互作用，发生拉曼散射[3]。它是由于光纤分子的热振动和光子间相互作用，进行能量交换产生的。一部分光能转换成为热振动，会产生斯托克斯光(Stokes光)，一部分热振动转化为光能，会产生反斯托克斯光(Anti-Stokes光)[2]。其中，Stokes光与温度无关，而Anti-Stokes光的强度随着温度的变化而变化。监测系统通过测量入射光和反射光之间的时间差来标定光纤长度，定位监测位置；通过测量和分析拉曼散射中的Anti-Stokes光的频率差计算被监测点的温度。

该系统由测温主机、测温多模光纤构成，如图6所示。脉冲发生器发出的脉冲光经过WDM，耦合进入光纤，产生的散射光经过WDM后滤出Stokes和Anti-Stokes光，经APD探测到，再将光信号转换为电压信号，经过放大处理后，双通道数据采集卡将采集到的电压信号经A/D转换后传送给MCU，进而发送至计算机供工作人员查看。

图4 12 V转5 V电路图

考虑距离入射端为L处的散射光强度，Stokes拉曼散射光和Anti-Stokes拉曼散射光的光功率可分别表示为：

(1)

(2)

以Anti-Stokes光为感光曲线，Stokes光为参考信道，用Stokes光去解调Anti-Stokes光曲线，两通道之间的光功率之比为：

(3)

图5 通信模块电路图

图6 光纤温度传感器监测系统图

温度为T1时光纤沿线光功率之比为：

(4)

利用T1来解调任意温度下的测量值T，则：

(5)

OTDR技术用来确定光纤上的空间位置信息，如果从光脉冲进入光纤时开始计时，设光纤上某点产生的背向散射光返回到探测器所需要的时间为t，则t与该散射点到入射端的距离L满足关系为：

(6)

其中，v为光在光纤中的传播速度，因此由上式可得数据采集卡采集到的数据在光纤上的具体位置。

3.2 分布式光纤渗漏监测系统设计

大坝中渗漏的监测同样是依据监测大坝温度的变化来判断是否出现渗漏，以及渗漏发生的空间位置。渗漏的水流在与光纤接触时，会出现热传递，使得渗漏部位与非渗漏部位的温度产生差异，尤其是渗漏水流的流速越大，温度差异就越大。因此需要两条光纤测量温度，一条所测温度值作为基准温度值，另一条光纤监测渗漏温度变化。这样就需要保护基准光纤温度值不被渗流干扰。

[3]中使用人为加热法增加温度差异，但光纤布设都在狭小的空间内，人为加热光纤虽然会增大温度差异，但也会对光纤渗漏传感器温度值产生影响；并且使用此加热法不能实时监测渗漏情况。本文在设计时充分考虑这点，在布设时光纤渗漏传感器紧贴大坝心墙，监测渗漏情况；光纤温度传感器外敷设防水材料，不贴心墙，只测大坝心墙空间温度，为光纤渗漏传感器测量温度提供基准。另一方面，当监测出有温度差异时，再次使用加热法精确测量渗漏点。这样既可实时监测渗漏点，又可精确检测，也可根据光纤中温度变化的距离、温度突变的时间计算出渗漏的流速。

3.3 分布式光纤位移监测系统设计

参考文献[5]中光纤位移传感器通过内部敏感元件来检测位移，但是此方法结构设计复杂、量程小、布设困难、无法直接获得位移数据。而参考文献[7]中光纤位移传感器是通过结构分布式应变积分获得结构位移，测量误差大。因此本文使用参考文献[9]中设计研发的基于光纤光栅定位的OTDR位移传感器，此传感器具有位移数据无需积分、量程大、结构简单、易于布设等特点。

本文中监测系统依据光纤光栅后向反射光与后向布里渊散射光方向相同，光功率差异大等特性,通过OTDR实现光栅定位。因此光栅位置点将有一个对应的反射事件，当出现位移变动时，就会引起光时域谱上2个光栅反射事件的空间位移发生相对变化，从而实现位移的测量。具体做法是在分布式传感光纤上串接2个光纤光栅，作为位置指示器，当2个光栅之间的位移发生变化时，就可测得位移的变化。

光纤最大的应变量大约是10 000 με，超过光纤的极限应变后光纤将会断裂损坏[9]，按照应变位移理论，位移传感器量程与结构的受载长度相关，如下式所示：

(7)

(8)

其中，KD为位移传感器的应变灵敏度系数，ΔL0为受载结构位移。由式(7)、(8)可知，如果结构位移一定时，可以通过增大受载光纤段数来增大光栅间距，实现灵敏度系数的提高。

3.4 分布式光纤应变监测系统设计

分布式光纤应变监测系统在应用中，利用WDM将许多不同中心波长FBG串联于一根光纤中，构成应变传感网络[4]。本设计中使用基于FBG技术的光纤应变传感器，此传感器可埋设于大坝坝体、心墙或坝基内部，对大坝内部水平、垂直方向上的应变进行实时监测。当入射光进入光纤时，布拉格光栅FBG会反射特定波长的光，该波长满足条件如下：

(9)

其中，λA为反射光的中心波长；nR为光纤的有效折射率；Λ为FBG的栅距。当光栅受到拉伸或者受热时，λA增大；当光栅压缩或者遇冷时，λA减小。λA随温度和应变的变化而变化，如下所示：

(10)

其中，ΔλA为中心波长的变化量；λA0为不受外力温度为0 ℃时，该光栅的初始中心波长；Δε和ΔT分别为光栅所受的应变和温度的变化量；α、ζ和pR分别为光纤的热膨胀系数、热光系数和光弹系数，式(1)可改写为：

(11)

(12)

(13)

(14)

3.5 分布式光纤裂纹监测系统设计

图7 裂纹检测示意图

大坝体积巨大，出现裂纹的几率大、延伸范围广、时间不确定。本设计使用基于瑞利散射的光纤裂纹传感器可实时、连续监测裂纹情况。当大坝出现裂纹时，埋入其中的光纤会在裂缝上下两个面生成两个弯曲，从而引起光信号出现局部高损耗，如图7所示。利用OTDR探测光损耗的位置，可推知在相应位置是否存在裂纹，据此，无论大坝中何处出现裂纹，只要与埋入的光纤斜交即可被感知。如果两根成一定夹角的光纤穿过裂纹，还可监控裂纹的宽度和发展趋势。

根据光纤后向瑞利散射光衰减规律，可推知相应的大坝坝体裂纹方程为：

(15)

(16)

4 系统软件设计

监测时，智能测控装置MCU会根据内部设置好的采样时间，分别对光纤应变、裂纹、温度、渗漏和位移传感器采集到的信号进行遥测。当中心站通过以太网向MCU发出遥测指令的时候，MCU可以通过GPRS无线网络将采集数据发送给监控中心。监测系统软件流程图如图8所示，当数据采集传输至上位机后，上位机进行分析处理数据，为大坝安全施工运营提供保障。上位机对于各个参数的遥测采用轮训的方式逐个测量，当某一监测数据超过阀值，报警模块则会启动报警。对于大坝水位和降雨量的采集采取人工或定时采集，本系统设定时间为10分钟采集一次数据。

图8 监测系统软件流程图

5 传感器的布设

由于光纤的精巧、纤细与混凝土等现场作业的粗放性之间的悬殊反差，要实现大坝的监测，就必须解决光纤传感器的布设工艺问题。也就是说安装好的光纤传感器既要能保证光纤的安全，又要保证测量的精准。光纤的纤芯和包层是二氧化硅构成的，当埋入混凝土时，需充分考虑混凝土的高碱、高水环境对光纤的损害，因此在包层表面涂覆高分子聚合物，光纤端面也使用水密套管保护起来，免受周围环境的侵蚀。

光纤传感器通常布设于大坝心墙、钻孔和坝基内。温度传感器布设时需做好防水和涂覆材料的合理使用，为工作人员提供精确温度值，为测量其他数据提供可靠基准值。位移传感器通常在每个光栅处固定光纤，监测两点位移变化。应变传感器布设时采取多段环绕坝体布设，这样可最大地承受坝体应力，保证光纤不断裂。裂纹传感器一是布设于大坝心墙和钻孔内，实时监测大坝裂纹情况；二是布设于裂纹上方，实时监测裂纹的发展情况。

6 实验验证

6.1 分布式光纤温度、渗漏传感器实验

分布式光纤温度监测系统探测到的拉曼信号很微弱，不易被发现，为了得到准确的温度数值，需要对光纤中的信号进行去噪处理。实验采用100 m/s的数据采集卡、响应时间为10 ns的APD、脉冲宽度为10 ns的脉冲发生器。据上分析，搭建实验系统进行实验，实验得出本系统空间分辨率为1 m。

将光纤至于温室20 ℃的环境下，得到的温度曲线如图9所示。实验中采用的光纤长度为1 000 m，实验所示温度测量误差在±2 ℃范围内。截取中间一段光纤区域温度曲线图如图10所示。

图9 20℃温度曲线图

图10 500～700m光纤温度曲线图

使用加热板对光纤中任意一个位置加热，促使温度改变，监测温度值的变化。实验中将光纤500 m处加热至40 ℃，监测温度值，得到的温度曲线如图11所示。

图11 500m处光纤温度曲线图

6.2 分布式光纤位移传感器实验

布设一位移传感器，在其上植入3个光纤光栅，进行位移变化测试。在实验中布设4段3.96 m受载光纤，加载位置为1 cm、2 cm、3 cm，对应的应变为2 525.3 με、5 050.5 με、7 575.8 με，保证加载应变小于极限应变。实验中固定光纤一端作为基准点，另外一端通过拉伸改变位移，实现位移的测量。测试空间分辨率分别为2 cm(脉冲宽度为0.2 ns)，采样间隔为1 cm，整个实验过程在室温下进行。从图12中可清晰地看到有3个光纤空间位置，与预先设置的3个光纤光栅吻合。

图12 位移传感器实验图

6.3 分布式光纤应变传感器实验

拉伸实验结果表明，FBG的中心波长和施加的轴向位移具有极好的线性相关性，相关系数r2接近1。实验中未发现任何读数延迟现象，说明FBG可以制成优异的应变传感器。如图13所示，可得到该光栅率定值为1 497.2 nm/mm，初始中心波长λA0为1 544.3 nm。在挠曲实验中，光纤应变传感器和传统应变传感器读数基本吻合，如图14所示。

图13 拉伸实验结果

图14 挠曲实验结果

结 语

参考文献

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豆朋达(硕士研究生)、温宗周(副教授)，主要研究方向为嵌入式系统应用与开发。

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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2017-02-16)