分布式光纤传感器监测技术及光纤传感器系列的研究与开发.docx

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1、分布式光纤传感器监测技术及光纤传感器系列的研究与开发1、市场及产业关联度分析工程结构物的损伤识别及早期诊断，是城市与工程减灾对策的最重要内容之一.这一点在大坝等重大工程上尤为明显,这些工程既代表了巨额投资和巨大效益，又同时缜含着潜在的成灾风险。众所周知，垮现洪水不仅破坏水库、水电站工程本身，尤其对下游千百万人民生命和财产造成惨重灾难。历史上垮坝的教训很多，美国Teton（提堂）土石坝（高95m）于1976年5月5日溃决，是著名的实例，也是垮坝中的最高坝。该工程主要失误就是未设观测系统，无法及时得到本来可防止这场灾难的信息.等祸到临头，已无法挽救。大坝安全监测的常规技术己有百年历史，以点式电测传

2、感器为代表，实用经验多，应用范围广，并与现行规范配套，现阶段仍是大坝安全监测的主要设备。然而，常规观测仪器存在若干根本性的缺陷：对测点物性有影响：观测仪器本身有相当的体积和刚度，不够小巧。埋设测点的物性会受影响，无法保证检测样本的代表性。耐久性较差：仪器及其传输线的损坏失效率较高，且随年代而增加，难以实现整个使用期的监测。易受强电磁场干扰：整个水电工程是个强电磁场，常规监测仪器是电信号，易受干扰,测值误差大.信息量有局限：只能实施离散点观测,不能实现分布式检测，获取信息的能力不强，特别是大坝中的裂健，因为大体积破开裂具有时空随机性，常致漏测，这是裂健检测的难点所在。前苏联萨扬舒申斯克重力坝，内

3、部仪器达2500只之多，竞未测到坝体卜部在薪水后产生的486m的大裂缝，直到该缝向深部如展20余米，引起廊道漏水才发觉，这就是很仃说眼力的实例.因此，研究水利水电工程安全监测的高新技术显得非常.必要。同时，要真正使大坝安全监测自动化技术向实时在线监控，远程自动化网络方向迈进，新的传感技术是其成败的关键。近年来，在高科技的渗透和支持下,常规技术正在酝酿更新换代,在各国竞相发展的安全监测高新技术中，光纤传感检测技术以其独特优势而处丁中心地位.随若光纤通信的迅猛发展，光纤及仪表降价,经济上也有竞争力.分布式光纤传感技术是传感技术发展中的尖端领域和研究开发热点，与传统的传感器相比，它具有以下优点；集传

4、感与传输于一体，可实现远距窗测妣与监控：一次测定就可获取整个光上区域的一维分布图：能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息,因此单位信息成本大大降低：测量范围宽，具有高空间分济率和高精度：在具有强电磁于扰、易燃易爆或强腐蚀以及其它传感器无法接近的严酷环境下，分布式光纤传感器具灯无可比拟的优点。大坝安全监测自诊断系统是利用分布式光纤传感器及其阵列和数据采集设备，全天候、不间断地监测大坝的工作状态、关键部位的温度、应变、裂缝、位移，在汁葬机硬件和软件系统的控制下，通过对检测和采集的数据进行分析和加工处理，自动地显示大坝运行和局部安全状态，并将检测和分析的结果自动地存入计算机

5、作为大坝运行的历史档案。若遇亦常情况；系统可自动报警。这些对大坝根伤枳累和安全度卜降的过程，保证大坝安全运行都具仃重要的实际意义。我国江河众多，水能资源为全球之冠，水库、水电站工程达8万座以上，举世无双：XX、二滩、小浪底等巨型工程在建设中。这些工程的安全直接关系黄河、长江等大江大河和下游平原几亿人I、许多城市的安危和社会安定。不难预见，安全监测和损伤识别的高新技术，其应用前景将I-分广舐，意义卜分菰要。因此，选准主攻方向.不失时机地发展以光纤传感为基础的智能化损伤识别技术，对提高我国大坝安全监测水平，必将产生重要作用，并为我国的减灾防灾事业作出重大贡献。这种技术不仅适用于大坝工程，同样可用于

6、桥梁、高速公路、机场、港口、高楼、核电厂等。2、主要技术指标温度监测的分布式光纤传感光缆：温度分辨率1.0-2（TC:测值范围-20C-80C1.随机裂缝监测的分布式光纤传感器分辨率002mm,初始然知缝宽0.15nn,动态范围4mn,定位精度0.211u板间缝、周边缝多规格、大量程光纤位移传感器：六种规格（针对水布地面板堆石坝工程）：8mm、18mm、25mm、50mm、100mm、150mm。各种坝型的陆机裂缝光纤传感网络、施一匚工艺及流程等。F-P应变传感器：50000个数据样本，分辨率0.01%,精度0.025,采样速率20Hz。采用中断站路站监测，信号传送距离为600km：目前仪器信

7、号传送距您为60k11,3、发展规划此项目依托工程为XX二期工程、清江高坝洲工程和古洞口面板堆勺坝工程，这些工程都在XX附近。XX大学在XX一期工程和古洞口面板堆石坝工程中的前期研究工作为许多专家和单位所关注，该课题的研究成果首先将为水布现在面板堆石坝工程所应用,不仅可解决常规监测仪器无法解决的问题同时将产生巨大的经济效益“1）项目的分工与合作XX大学对该项目全面组织、具体施实：湖北涪江水电开发有限责任公司在依托工程浦江高坝洲工程中提供应变光纤传感现场试验所需的施工场，并配合工作：中国XX集团公司在依托工程一一XX二工程中提供温度光纤传感现场试验所需的施工场地，并配合工作。(2)光纤传感技术室

8、内大比尺模型综合实验在前期诸多单项实验的基础上，拟进行室内大比尺模型综合实验。考虑到做个三维在大坝的模型不太现实，是经费高，二是为难度。因此，拟设计一座二跨6米长的静定梁模型，将我们前期研究的各光纤传感器分别布置在模型相应部位，进行在线承载实验脸证。多跆薛定梁模型，一是制作简单、经济，能够达到实时监测温度、应变、位移、裂缝等环境物理的目的，同时为今后迅速将这一成果也推向上木工程打下良好的基础。3)光纤传感技术现场试验本项目以现场试验为主，现场试验分别在已建工程和在建工程中进行，根据依托工程的条件，选择不同的环境物理量进行，以验证各类光纤传感器的工程适应性、工程寿命和稳定性。选择在建的XX二期工

9、程进行温度监测的分布光纤传感技术现场试验，埋入光纤传感光缆，以实现分布式温度监测的目的。选择已建的古洞口面板堆石坝工程进行破面板阴机裂缝、板间和周边位移监测的分布式光纤传感技术现场试验：由于在面板已形成，研制一种高分子材料，将强度调制型的斜交分布式光纤传感器网络与破面板粘贴在一起，并做适当保护，以捕捉破面板随机裂缝；在板间健和周边缝安装多路第用光纤位移传感器系统，以实时在线监测其位移变化。选择在建的高坝洲水电工程进行应变监测的分布式光纤传感技术现场试验，埋置Fabry-Perot应变传播器，以实时在线对在结构应变进行传感陈测：采用khonen神经为处理传感阵列输出的并行分布式传感信号。（4）大

10、坝安全监测的自诊断系统研究直接利用阵列传感光纤出射光的光强分布特性，根据其光强分布与：光纤上挑动参量及（或位置之间的对应关系，将光纤传感阵列输出的光信号经检测系统变为电信号作为神经网络的输入，通过学习，使传感光纤阵列上受力（损伤）的程度和位置与神经网络的输出模式间建立某种非线性映射关系。从而可使光纤阵列传感信号得到实时的智能处理。并实时地探测到桂结构的应力应变化的变化及各种原因造成的损伤等。5）组织多学科的、年富力强的精悍队伍，进行光电技术一一光纤传感一一水工结构一一施工技术一一高分子材料计算机科学等跨学科的交叉综合研究，充分发挥各种人力、物力、技术条件诸方面的优势，开展高起点、高效率的工作。

11、6）XX大学和三个合作单位在光纤传感技术、水工建筑及其原型观测。施工技术、高分了材料、计算机应用等方面，进行了大量的工作，积累了丰富的实验和研究经验，对该项目的可行性是为把握的。（7）主要工作有：制造温度检测的分子式光纤传感线缆：生产深水单茏光缆等。4、主要设备：美国泰克公司的台式光时域反射仪2套加拿大Roctest公司的通用光纤信号调解器（8通道）2套武汉邮电科学研究院生产的光谱分析仪5套传感光缆、深水单茏光缆若干5、项目所需经跋及规模设备：120万元厂房:180万元开发：100万元流动：100万元合计：500万元6、主要经济指标分析随着通信事业的发展，光纤材料以及相应的电源器件，二次仪表都会大幅度的降价：常规监测仪器失效率高，且获取点监测信息单价高：分布式光纤传感器获取点监测信息单价大大降低，且不易失效：多规格、大量程光纤位移传感器价格将低于常规测t计价格30%：光纤传感的分布式、抗电磁干扰等优点是常规监测仪器无法实现的,是监测技术的革命，具有重:大的工程应用价值和经济效益前景。