分布式溫度和應(yīng)變傳感技術(shù)對(duì)堤防滲漏檢測(cè)和混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)
雖然光纖傳感器已經(jīng)發(fā)展了30年，但是在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之間還存在著一定的差距。本文著重介紹了評(píng)估整個(gè)傳感鏈的具體方法，重點(diǎn)是（i）商用光電儀器和（ii）傳感電纜。對(duì)于成功的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用程序，必須考慮這兩種方法成功配對(duì)的其他一些考慮因素。本文對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，并結(jié)合堤防滲漏檢測(cè)和混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明，利用基于rayleigh、raman和brillouin散射的分布式溫度和應(yīng)變傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了堤防滲漏檢測(cè)和混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。小精靈。它們包括工作波長(zhǎng)的適當(dāng)選擇、專用定位過(guò)程、連接器類型的選擇，還包括在光纖傳感器附近安裝的傳統(tǒng)參考傳感器的有用選擇，以及應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償。G.
大型工程結(jié)構(gòu)規(guī)范，如Rion Antrion橋（希臘）或Millau高架橋（法國(guó)），現(xiàn)在通常包括儀器，以滿足監(jiān)測(cè)要求，不僅在施工期間，而且允許終身結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。拖著。
法國(guó)電力公司（edf）的潛在應(yīng)用包括大壩、堤壩和電廠反應(yīng)堆監(jiān)測(cè)。andra（法國(guó)國(guó)家放射性廢物管理局）的潛在應(yīng)用包括地表和深層地質(zhì)放射性廢物處置結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，例如，在未來(lái)的地質(zhì)處置庫(kù)中，將包含高度儀器化的處置單元。LCPC負(fù)責(zé)監(jiān)督各種法國(guó)橋梁因老化而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)病理。
控制結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)（通常由縮寫(xiě)shm（structural health monitoring））需要大量的傳感器。對(duì)于這種應(yīng)用，光纖傳感器[1]被認(rèn)為是一種特殊的工具，特別是因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)分布式測(cè)量[2]，從而在整個(gè)結(jié)構(gòu)上提供數(shù)據(jù)，而不限于傳感器位置的點(diǎn)數(shù)據(jù)。單光纖監(jiān)測(cè)可以提供結(jié)構(gòu)整體行為的信息，克服了傳統(tǒng)傳感器信息局限于局部效應(yīng)的局限性。為了克服最初的失望并充分利用這些傳感器的特性，大約20年的發(fā)展是必要的[3]，其應(yīng)用已經(jīng)成為最先進(jìn)的技術(shù)。
本文主要研究了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中光纖溫度和應(yīng)變分布傳感技術(shù)。在對(duì)光纖傳感技術(shù)進(jìn)行了初步總結(jié)之后，重點(diǎn)將放在分布式溫度和應(yīng)變傳感器上。這將通過(guò)對(duì)兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的深入描述來(lái)說(shuō)明：使用溫度分布傳感的堤防漏水檢測(cè)和通過(guò)應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。盡管商用傳感器和詢問(wèn)裝置眾多，但全球測(cè)量鏈可能會(huì)給最終用戶提供令人失望的監(jiān)測(cè)結(jié)果，除非考慮到一些具體因素。本文進(jìn)一步闡述了這些建議，重點(diǎn)放在實(shí)際建議上，這些建議對(duì)于從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的成功過(guò)渡似乎是必不可少的。
2。光纖傳感技術(shù)綜述
光纖是一種直徑約為0.1 mm的波導(dǎo)，它能夠在千米范圍內(nèi)傳輸光。一種被稱為單?；蚨嗄９饫w的寬陣列光纖，是在玻璃或塑料中發(fā)展起來(lái)的，具有實(shí)心或空心的芯，以非常不同的形狀封裝，以傳送可能可見(jiàn)或不可見(jiàn)的信號(hào)。如文獻(xiàn)[1]中所述，ofs與傳統(tǒng)的電子傳感器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：它們重量輕、體積?。A(yù)期無(wú)損傷）、對(duì)電磁場(chǎng)不敏感、不受金屬腐蝕（除非選擇金屬包層），并且能夠抵抗高溫。它們還可以利用非常低的衰減系數(shù)在遠(yuǎn)距離（千米范圍內(nèi)）進(jìn)行測(cè)量，多個(gè)傳感器可以在一根光纖中復(fù)用。應(yīng)用范圍從材料傳感到石油勘探和生產(chǎn)監(jiān)測(cè)。
在過(guò)去的三十年里，大量的ofs已經(jīng)成功商業(yè)化，基本上是基于bragg光柵和fabry-perot腔（fp），提供一個(gè)或多個(gè)局部測(cè)量[1]。這些技術(shù)需要對(duì)光纖進(jìn)行特定的局部化處理，例如局部化表面光柵，以產(chǎn)生易產(chǎn)生可測(cè)量信號(hào)的局部化敏感元件。這些ofs技術(shù)在其應(yīng)用中仍然受限于它們可以提供的預(yù)定義和“點(diǎn)”性質(zhì)的數(shù)據(jù)。對(duì)于土木工程，大量這樣的“點(diǎn)狀”ofs需要被多路復(fù)用以測(cè)量真正的十進(jìn)制結(jié)構(gòu)[4]。為了能夠同時(shí)測(cè)量幾十個(gè)傳感器，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種復(fù)用方案。然而，即使有上千個(gè)傳感器可用，它們的位置選擇可能是高度敏感的，并且是一個(gè)密集的研究課題。
相比之下，分布式傳感提供了一個(gè)更加通用和強(qiáng)大的監(jiān)控工具，因?yàn)樗恍枰獙?duì)結(jié)構(gòu)行為的先驗(yàn)知識(shí)。術(shù)語(yǔ)分布式傳感器指光纖本身成為傳感器的情況。因此，不再需要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的傳感器位置，因?yàn)闇y(cè)量是沿著連接到讀取設(shè)備的光纖（以及在延長(zhǎng)電纜內(nèi)）進(jìn)行的。本文的其余部分將集中討論允許這種分布式感知的ofs技術(shù)。
2.1。真正的分布式傳感器：定位過(guò)程
可以利用各種技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)光纖內(nèi)的連續(xù)分布式測(cè)量系統(tǒng)。最常見(jiàn)的是otdr（用于光時(shí)域反射計(jì)），它最終可以與諸如拉曼效應(yīng)（溫度相關(guān)）和布里淵效應(yīng)（溫度和變形相關(guān)）等光物質(zhì)相互作用的研究相結(jié)合，如后文所述。
otdr最初用于分析光通信線路內(nèi)的損耗[5]，被歸為光脈沖回波技術(shù)。該技術(shù)包括在光纖中注入激光脈沖，然后測(cè)量后向散射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化：周期對(duì)應(yīng)于引線和光纖上位于引線處的給定點(diǎn)之間的脈沖往返。脈沖的時(shí)間寬度需要otdr的空間分辨率；10ns的寬度對(duì)應(yīng)于1 m的分辨率。otdr用于在數(shù)十公里的距離上進(jìn)行強(qiáng)度變化測(cè)量，空間分辨率為米級(jí)。
其他的定位技術(shù)是可以利用的，它們的性能是相當(dāng)互補(bǔ)的；例如有些是基于頻率調(diào)制的，因此縮寫(xiě)為ofdr（光頻域反射計(jì)）。具體原則見(jiàn)[5-7]。ofdr的空間分辨率可以達(dá)到10 m，盡管相應(yīng)的測(cè)量范圍（可能的光纖長(zhǎng)度）大大減小到大約100 m。
無(wú)論采用何種技術(shù)，分布式傳感的一個(gè)主要問(wèn)題是沿光纖測(cè)量位置的不確定度，如下文提供的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用說(shuō)明所示。
2.2。真實(shí)分布傳感器原點(diǎn)的散射
如圖1所示，在沒(méi)有任何缺陷或異常特性的情況下，光纖段的光后向散射被光譜分解為對(duì)應(yīng)于三個(gè)突出現(xiàn)象的三個(gè)不同的峰值。
第一種是瑞利散射，起源于在光纖芯中傳播的電磁波與二氧化硅雜質(zhì)之間的相互作用。與注入波波長(zhǎng)相同的后向散射信號(hào)的強(qiáng)度變化與局部光纖修改有關(guān)：突然的返回峰值被解釋為鏡面反射（光纖上的連接器或損壞），強(qiáng)度的突然下降對(duì)應(yīng)于例如剪切損耗。除了檢測(cè)之外，要進(jìn)行溫度或應(yīng)變測(cè)量，光纖中瑞利后向散射信號(hào)的值必須與另一種技術(shù)相關(guān)聯(lián)，最簡(jiǎn)單的方法是與正點(diǎn)傳感器相關(guān)聯(lián)，例如微彎傳感器或包含預(yù)先校準(zhǔn)的損失[8]。在這種情況下，測(cè)量的連續(xù)分布方面將丟失。在單模光纖中，極化測(cè)量可以加上[9]，當(dāng)應(yīng)用需要壓力或磁場(chǎng)傳感時(shí)，參數(shù)非常有趣。
另一種可能性是根據(jù)第2.2.3節(jié)中描述的光學(xué)后向散射反射儀（OBR）儀器的建議，在各種瑞利測(cè)量之間進(jìn)行相關(guān)性。另一種方法是使用第2.2.1節(jié)和第2.2.2節(jié)中分別描述的另外兩條散射線拉曼和布里淵。
2.2.1基于拉曼散射的分布式溫度傳感
為了實(shí)現(xiàn)分布式溫度測(cè)量，拉曼散射是最先進(jìn)的技術(shù)。
拉曼散射源于激光-光子與二氧化硅分子（熱聲子）熱振動(dòng)的相互作用。更準(zhǔn)確地說(shuō)，如圖2所示，反斯托克斯吸收主要取決于溫度。因此，拉曼分布式傳感系統(tǒng)可以利用otdr脈沖技術(shù)對(duì)反斯托克斯背散射光進(jìn)行分布式強(qiáng)度測(cè)量。但是，由于光纖損耗隨時(shí)間變化（隨光纖老化、連接器污垢或光纖曲率等而增加），因此必須通過(guò)參考測(cè)量來(lái)增強(qiáng)抗斯托克斯強(qiáng)度演化。許多商用分布式溫度傳感裝置通過(guò)分析反斯托克斯和斯托克斯吸收線強(qiáng)度之間的比率自動(dòng)補(bǔ)償這種損失。
與多模光纖和otdr定位技術(shù)相結(jié)合，拉曼分布溫度器件的重復(fù)性在幾公里的距離范圍內(nèi)，空間分辨率為1.8201m，隨著距離的增加，重復(fù)性下降，但可以通過(guò)增加器件的面積來(lái)保持。獲得時(shí)間。最大距離為308201；km。應(yīng)用領(lǐng)域包括油氣管道泄漏檢測(cè)、地下儲(chǔ)存和鉆孔監(jiān)測(cè)、四項(xiàng)檢測(cè)[10]、廢物處置場(chǎng)監(jiān)測(cè)和堤壩滲漏檢測(cè)[11]。很少有儀器能夠?qū)文９饫w進(jìn)行拉曼散射測(cè)量。初步試驗(yàn)見(jiàn)第5.2.2節(jié)。
2.2.2.基于布里淵散射的分布式溫度或應(yīng)變傳感
如圖1所示，當(dāng)光脈沖發(fā)射到光纖中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)另一種非彈性現(xiàn)象，稱為布里淵散射。布里淵頻移與聲模相速度有關(guān)[12]。因此，已知布里淵位移變化與溫度（）和應(yīng)變（）變化成正比，如：
并具有光纖型的特點(diǎn)。在工作波長(zhǎng)（15508201；nm）下，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)G652單模光纖，CT為18201；MHz/和0.05至8201；MHz/[13]。
因此，基于布里淵散射的儀器可以進(jìn)行溫度或應(yīng)變測(cè)量。2002年，第一個(gè)商業(yè)化的B-OTDR系統(tǒng)被實(shí)現(xiàn)。2007年，市場(chǎng)擴(kuò)大到至少包括五家布里淵審訊系統(tǒng)供應(yīng)商。得到的性能約為20’8201；和1’8201；m的空間分辨率，在西班牙延伸幾十公里。目前最常見(jiàn)的應(yīng)用是基于溫度測(cè)量的管道泄漏檢測(cè)[14]。與拉曼傳感相比，靈敏度降低了10倍。然而，布里淵傳感可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，最遠(yuǎn)可達(dá)80’8201；km。這兩種差異主要與光纖類型有關(guān)，分別是拉曼和布里淵傳感的多模和單模。
2.2.3.基于相對(duì)瑞利測(cè)量的分布式溫度或應(yīng)變傳感：obr儀器
另一種進(jìn)行應(yīng)變或溫度分布測(cè)量的方法是進(jìn)行相對(duì)瑞利測(cè)量，這是由美國(guó)luna科技公司商業(yè)化的光學(xué)背散射反射儀（obr）提供的。
它依賴于兩個(gè)ofdr（見(jiàn)第2.1節(jié)）測(cè)量，即進(jìn)行中的測(cè)量和參考狀態(tài)，用先進(jìn)的相關(guān)方法進(jìn)行處理，分析瑞利后向散射峰的光譜滯后。如[7]所述，瑞利后向散射圖案的頻率偏移與沿光纖軸的溫度或應(yīng)變變化成正比。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖G652型，1550’8201；nm典型值為0.1499’8201；（GHz/）和1.248’8201；GHz/。
自2006年春季起，OBR就開(kāi)始商用。它可以測(cè)量大約100-8201；m的光纖變形（在均勻溫度下），具有厘米級(jí)的空間分辨率和相當(dāng)于幾個(gè)微應(yīng)變（或在均勻應(yīng)變下）的精度。
2.3。光纖外涂層的影響
到目前為止，人們已經(jīng)對(duì)光電器件進(jìn)行了描述。分布式傳感系統(tǒng)將這種儀器與包括光纖的敏感部分配對(duì)。從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)渡過(guò)程中遇到的一個(gè)主要困難是，光纖不能用標(biāo)準(zhǔn)涂層包裹。外部涂層對(duì)于室外測(cè)試來(lái)說(shuō)過(guò)于脆弱，或者電信行業(yè)開(kāi)發(fā)的涂層將光纖與其環(huán)境隔離以保護(hù)光纖。相關(guān)的問(wèn)題是如何將光纖轉(zhuǎn)換為傳感器，這將在進(jìn)一步描述的兩個(gè)應(yīng)用中說(shuō)明。
三。一種簡(jiǎn)單的鑒定方法
盡管在第2.1節(jié)中描述了許多優(yōu)點(diǎn)，但由于聲稱的性能和專用鑒定過(guò)程缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，真正的分布式光纖傳感器尚未侵入SHM應(yīng)用。
所描述的整個(gè)過(guò)程的靈感來(lái)自于[15]。全局鏈評(píng)估必須適應(yīng)應(yīng)用程序。對(duì)于ofs，選擇了傳感電纜和光電儀器分開(kāi)研究，然后再配對(duì)這些元件，并專注于數(shù)據(jù)處理。全局測(cè)試序列包括以下內(nèi)容。
（1）SHM系統(tǒng)是根據(jù)商用技術(shù)與需求和要求選擇的。如應(yīng)變傳感電纜所示（見(jiàn)第5.1節(jié)），如果它們不匹配，則采用內(nèi)部開(kāi)發(fā)。
（2）在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)了專用試驗(yàn)臺(tái)，以在受控條件下鑒定整個(gè)傳感鏈的計(jì)量性能。對(duì)于儀器，可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基本試驗(yàn)，如第4.1節(jié)中拉曼分布溫度裝置試驗(yàn)所示。對(duì)于嵌入式傳感器，空間分辨率驅(qū)動(dòng)測(cè)試結(jié)構(gòu)尺寸，這可能導(dǎo)致第4.2節(jié)溫度傳感和第5.1節(jié)應(yīng)變傳感中詳述的實(shí)體模型實(shí)現(xiàn)?？刂茥l件是開(kāi)發(fā)定量擬合數(shù)據(jù)處理算法所必需的，如圖7所示。
（3）第4.3節(jié)和第5.2.3節(jié)最后分析了實(shí)地執(zhí)行的具體要求。
這種鑒定方法主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：拉曼溫度傳感的堤防監(jiān)測(cè)和混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的應(yīng)變分布測(cè)量。由于其他地方已經(jīng)報(bào)道了許多技術(shù)方面的內(nèi)容，本文迅速提到了處理前兩個(gè)全局測(cè)試序列的參考資料，重點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的注意事項(xiàng)。
4。光纖拉曼散射在堤防滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用
內(nèi)耗是導(dǎo)致土石壩和堤防破壞的主要原因。這種以結(jié)構(gòu)漏水為特征的病理學(xué)，目前仍采用傳統(tǒng)的基于視覺(jué)檢查的方法進(jìn)行檢測(cè)。為了提高裝置的安全性，開(kāi)發(fā)了新的監(jiān)測(cè)方法。
溫度是很好的滲漏示蹤物[16]。提出了兩種主要技術(shù)。被動(dòng)技術(shù)是基于水渠和地面的季節(jié)性溫度變化。主動(dòng)的方法是基于加熱土壤。
光纖分布式傳感器在空間和時(shí)間上提供連續(xù)監(jiān)測(cè)，是一種很好的溫度測(cè)量方法。自本世紀(jì)初[17]以來(lái)，edf已經(jīng)開(kāi)展了多個(gè)光纖儀器和數(shù)據(jù)處理的研究項(xiàng)目，以獲得一種能夠以最小的虛警率檢測(cè)堤壩滲流的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)依賴于光纖技術(shù)。盡管它利用了商業(yè)上可獲得的元素，但在edf最近決定將這項(xiàng)技術(shù)推廣到各種開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)之前，還需要解決許多困難。以下段落詳細(xì)說(shuō)明了將實(shí)驗(yàn)室儀器轉(zhuǎn)換為適合現(xiàn)場(chǎng)使用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的困難。
4.1。商用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室評(píng)估
如第2.2.1節(jié)所述，幾種商用光電器件使用拉曼效應(yīng)進(jìn)行分布式溫度測(cè)量。由于滲透檢測(cè)閾值取決于測(cè)量系統(tǒng)的不確定性，因此確定光電器件的計(jì)量特性具有重要意義。由于不同產(chǎn)品規(guī)格表的直接比較不明顯，edf決定對(duì)不同的商用設(shè)備執(zhí)行一個(gè)通用的測(cè)試程序。
已知光纖彎曲半徑會(huì)影響測(cè)量質(zhì)量。此外，與標(biāo)準(zhǔn)傳感器（小型電子設(shè)備）不同，拉曼測(cè)量的平均值超過(guò)1米，因?yàn)閮x器依賴于otdr技術(shù)。因此，必須確保幾米以上的溫度非常穩(wěn)定，同時(shí)盡量減少入學(xué)人數(shù)。最后，期望性能與平均時(shí)間和距離范圍密切相關(guān)。
研制了一種適用于漏水應(yīng)用的專用試驗(yàn)臺(tái)。在[18]中有詳細(xì)描述，它可以測(cè)量20 m以上的穩(wěn)定溫度，每1 km測(cè)量一次，最高可達(dá)4 km。如圖3所示，包括4根多模光纖的市售電纜部分安裝在放置在氣候室中的浴槽中。這樣，電纜的最小曲率半徑為35 cm。溫度由鉑探頭（Pt100型）控制，其測(cè)量值在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)顯示穩(wěn)定。根據(jù)[19]得出的結(jié)論，重復(fù)性是通過(guò)在相同條件下連續(xù)測(cè)量的分散性來(lái)定義的；誤差是由裝置測(cè)量和pt100測(cè)量之間的差異來(lái)定義的。
圖3：不同的光電器件比較，由于一個(gè)特定的工作臺(tái)組成的氣候室，包括一個(gè)水浴配備光纖電纜。
2005年至2008年期間，同一測(cè)試程序應(yīng)用于來(lái)自不同供應(yīng)商的7個(gè)多模設(shè)備。它包括溫度范圍在到之間，采集時(shí)間在30 s到1小時(shí)之間。其結(jié)果是[20]對(duì)于每個(gè)裝置（i）所揭示的誤差與試驗(yàn)期間所探索的范圍內(nèi)所選擇的參數(shù)（鍍液溫度、采集時(shí)間和到裝置的距離）完全無(wú)關(guān)；（ii）重復(fù)性不取決于溫度（介于和之間），而是圖4中的Own受到了采集時(shí)間和設(shè)備距離的強(qiáng)烈影響。
930796.圖004
圖4：一個(gè)被測(cè)設(shè)備的重復(fù)性結(jié)果示例，顯示了采集時(shí)間和距離設(shè)備的影響。
由于這些實(shí)驗(yàn)室測(cè)試是使用一種通用程序進(jìn)行的，因此可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，給出一種通用的網(wǎng)格評(píng)估，可用于指導(dǎo)設(shè)備選擇。例如，對(duì)于距離4000 m、溫度為5分鐘的采集時(shí)間，表1給出了采用所述程序進(jìn)行的7個(gè)裝置試驗(yàn)的重復(fù)性和誤差。
Tab1
表1：在4 km的距離和C的溫度下，在5分鐘的采集時(shí)間內(nèi)，用所述程序獲得的7個(gè)設(shè)備的性能比較示例。
如果需要獲得一個(gè)設(shè)備，該設(shè)備的重復(fù)性和誤差為±，超過(guò)4 km，采集時(shí)間為5分鐘，則公共比較網(wǎng)格顯示只有一個(gè)設(shè)備是可接受的。
同時(shí)進(jìn)行了測(cè)試，拉曼技術(shù)得到了顯著的改進(jìn)。比較網(wǎng)格必須定期更新。
4.2。shm技術(shù)的實(shí)體模型評(píng)價(jià)
為了評(píng)估整個(gè)shm系統(tǒng)，即光電器件與傳感電纜的配對(duì)和數(shù)據(jù)處理方法，有必要進(jìn)行實(shí)物評(píng)估。更精確的外部參數(shù)（空氣溫度、太陽(yáng)輻射）可能會(huì)影響檢測(cè)。
設(shè)計(jì)了一個(gè)全面的煙幕：2006年在法國(guó)南部的Cemagref設(shè)施，在Eureka水文探測(cè)項(xiàng)目期間建造了一個(gè)水池。如[21]所述和圖5所示，盆地由受控土壤材料組成。它能在控制流量的情況下實(shí)現(xiàn)人工泄漏。光纖包含在模型內(nèi)，并連接到安裝在靠近盆的特定機(jī)柜中的光電拉曼器件。PT100傳感器，用作參考傳感器，完成儀器。
930796.圖005
圖5：配有3層光纖和人工泄漏的全尺寸水池。
拉曼原始測(cè)量對(duì)泄漏的靈敏度很低（圖6）。
930796.圖006
圖6：在盆地西側(cè)產(chǎn)生3處泄漏時(shí)，沿一根光纖進(jìn)行的拉曼溫度測(cè)量。
930796.圖007
圖7：根據(jù)用特定算法處理的圖6中給出的原始拉曼測(cè)量，檢測(cè)盆地西側(cè)的3處泄漏。
如圖7所示，特定的數(shù)據(jù)算法被證明是高效泄漏檢測(cè)的關(guān)鍵。
在這一階段，利用該模型獲得的數(shù)據(jù)能夠確定整個(gè)傳感系統(tǒng)對(duì)泄漏檢測(cè)的靈敏度：它能夠以低至1 l/m/min的流速進(jìn)行檢測(cè)[22]。在未來(lái)，除了檢測(cè)之外，這些數(shù)據(jù)將被用來(lái)提供定量信息。為此，計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種更復(fù)雜的基于堤防模型化的泄漏流量評(píng)估算法。由于用傳統(tǒng)儀表作為流量計(jì)無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)量泄漏流量，因此吸油量對(duì)算法驗(yàn)證至關(guān)重要。
3?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施
為了完成實(shí)驗(yàn)室和模型評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)裝置。第一個(gè)堤防設(shè)施位于法國(guó)東南部，于2002年安裝了一條2.3 km的混合電纜，包括4根多模光纖和6根銅線。電線確保強(qiáng)制加熱，以測(cè)試激活方法[16]。圖8是堤防和相關(guān)電纜的圖片。第二個(gè)堤防設(shè)施位于法國(guó)東北部，2006年安裝了2條1 km長(zhǎng)的類似電纜。電纜埋在堤腳約1 m深處。
圖8
圖8：法國(guó)東南部的現(xiàn)場(chǎng)安裝。
4.3.1重大建議
這些安裝支持對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。首先，電纜必須堅(jiān)固，以承受實(shí)際的土木工程條件：搬運(yùn)、土壤壓實(shí)等。此外，它必須抵抗化學(xué)侵蝕環(huán)境（水和鹽度）。在堤內(nèi)，嚙齒動(dòng)物碰巧破壞了電纜，這可以通過(guò)金屬保護(hù)來(lái)解決。因此，建議選擇用于土壤埋置的混合通信電纜。此外，其剛度將彎曲半徑限制在0.5 m左右。例如，Leoni提供上述電纜。
二是要注意配套材料的選擇。在這兩種情況下，拉曼裝置都位于水力發(fā)電廠內(nèi)。變壓器產(chǎn)生的電磁干擾和環(huán)境溫度變化破壞了測(cè)量：最初兩年的采集時(shí)間約為50%。光電設(shè)備必須包括在屏蔽和溫度調(diào)節(jié)柜內(nèi)，并配備不間斷電源。除了審訊單元外，出于眼部安全考慮，還選擇了E2000/APC連接器。在電纜的另一端，在電纜的末端，光纖被放置在電纜連接坑內(nèi)的一個(gè)封蓋內(nèi)，以便進(jìn)一步擴(kuò)展安裝。
在處理分布式數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)主要的困難是事件的精確定位。事實(shí)上，光電器件提供沿傳感電纜的曲線橫坐標(biāo)測(cè)量，而傳感電纜距離堤壩表面的歐幾里得距離很遠(yuǎn)。實(shí)際上，傳感電纜每1 km穿過(guò)一個(gè)電纜連接坑。這些接入點(diǎn)能夠通過(guò)冷卻或加熱電纜來(lái)創(chuàng)建人工事件，從而產(chǎn)生一個(gè)清晰可識(shí)別的信號(hào)，該信號(hào)可歸因于結(jié)構(gòu)上的已知位置。
同樣，縱向定位困難，需要橫向定位。當(dāng)使用這種shm技術(shù)檢測(cè)到某個(gè)事件時(shí)，需要挖掘土壤以驗(yàn)證是否是由于泄漏造成的。為了便于探測(cè)電纜位置，為了盡量減少挖掘工作，商用rfid設(shè)備與電纜一起埋置。這大大提高了這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
第三，由于儀表化結(jié)構(gòu)距離最終用戶較遠(yuǎn)，因此實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制解決方案，以提供快速的數(shù)據(jù)處理和相關(guān)警告。
最后，但并非最不重要的是，要進(jìn)行有價(jià)值的測(cè)量，拉曼系統(tǒng)需要參考測(cè)量，這是從經(jīng)驗(yàn)中清楚地學(xué)到的。為此，PT100包含在機(jī)柜中，以便于定期校準(zhǔn)設(shè)備。更重要的是，4根光纖在電纜的遠(yuǎn)端成對(duì)拼接，以形成一個(gè)光環(huán)路。結(jié)果，pt100被人為地與在兩個(gè)位置的拉曼測(cè)量進(jìn)行比較，一個(gè)位置非常接近，另一個(gè)位置距離裝置非常遠(yuǎn)。它還避免了在現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)參考傳感器。
4.3.2.數(shù)據(jù)處理
在這兩個(gè)地點(diǎn)連續(xù)幾年成功地獲得了拉曼溫度測(cè)量。
發(fā)展了各種分析方法[22，23]并進(jìn)行了比較。對(duì)于一個(gè)地點(diǎn)，一年的測(cè)量后處理確定了可疑區(qū)域。這些結(jié)果與業(yè)主的目視檢查報(bào)告一致。
4.4。堤防監(jiān)測(cè)結(jié)論：成功
自20世紀(jì)初以來(lái)，edf研究了利用光纖拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)來(lái)探測(cè)堤壩滲漏?；冢╥）實(shí)驗(yàn)室（ii）受控條件下的模型評(píng)估和（iii）補(bǔ)充現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的鑒定方法得到了積極的實(shí)施。評(píng)價(jià)了市場(chǎng)上光電拉曼器件的計(jì)量性能。由于采用了全尺寸水池，因此確定了shm技術(shù)的靈敏度。兩個(gè)工業(yè)裝置在實(shí)際條件下實(shí)現(xiàn)。
在過(guò)去幾年取得的積極成果的基礎(chǔ)上，edf對(duì)shm技術(shù)進(jìn)行了鑒定，并決定利用該技術(shù)每年對(duì)2個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，基于拉曼光纖傳感的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)是有效的。目前的發(fā)展重點(diǎn)是泄漏的量化。
另一個(gè)觀點(diǎn)是利用堤壩中嵌入光纖的類似系統(tǒng)進(jìn)行地下孔探測(cè)，如最近的報(bào)道[24，25]。實(shí)際上，內(nèi)部侵蝕有兩個(gè)主要后果：漏水和土壤變形。從這個(gè)角度來(lái)看，需要進(jìn)行應(yīng)變分布測(cè)量。
5?；趹?yīng)變分布式光纖傳感器的混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
從混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的角度對(duì)光纖分布式應(yīng)變傳感系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。這種結(jié)構(gòu)材料的儀器對(duì)于andra來(lái)說(shuō)是非常重要的，因?yàn)榈叵聝?chǔ)存庫(kù)廊道和未來(lái)地質(zhì)儲(chǔ)存庫(kù)中的中放射性長(zhǎng)壽命廢物處理單元可能有一個(gè)儀器化的混凝土襯砌。同樣地，LCPC和EDF負(fù)責(zé)許多混凝土結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的安全性需要向當(dāng)局證明。因此，在發(fā)電廠、混凝土大壩和一些具有特殊特征的橋梁中實(shí)施監(jiān)測(cè)。
5.1。傳感電纜設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
如第2.3節(jié)所述，應(yīng)特別注意光纖與結(jié)構(gòu)的連接方式，以便進(jìn)行精確的分布式溫度和應(yīng)變測(cè)量。
2002年，LCPC開(kāi)始在法國(guó)國(guó)家項(xiàng)目EOLBUS中開(kāi)發(fā)一種專用于混凝土儀器的傳感電纜。當(dāng)時(shí)，分布式應(yīng)變布里淵傳感單元正在商業(yè)化，但提供的相關(guān)傳感器很少。更準(zhǔn)確地說(shuō)，為了在很長(zhǎng)的距離內(nèi)連續(xù)測(cè)量混凝土應(yīng)變，所面臨的挑戰(zhàn)是確保主體材料和光纖之間的連續(xù)連接，同時(shí)優(yōu)化應(yīng)變和溫度場(chǎng)的傳輸。
如[26]所述，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料制備的類波傳感器涂層，以使光纖和混凝土之間能夠連續(xù)粘合。如圖9所示，有限元分析表明，光纖的剛度可以適應(yīng)混凝土的剛度，從而降低應(yīng)變集中度和理論校準(zhǔn)系數(shù)的需要。此外，與傳統(tǒng)的i形傳感器（如振弦式傳感器）不同，波形傳感器應(yīng)能在拉伸和壓縮載荷下實(shí)現(xiàn)對(duì)稱響應(yīng)，無(wú)論接觸條件如何。
首先，用低相干干涉測(cè)量代替真正的分布式測(cè)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)際上，布里淵otdr儀器的1 m空間分辨率阻止了與長(zhǎng)度約為10 cm的參考傳感器的直接比較。在光纖芯內(nèi)插入部分反射鏡，以實(shí)現(xiàn)短光纖測(cè)量?jī)x，可由低相干干涉儀進(jìn)行檢查[26]。將10 cm傳感器嵌入受壓混凝土圓柱體中的試驗(yàn)（見(jiàn)圖10）以及使用70 cm傳感器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[27]表明，包裹光纖引伸計(jì)與附近放置的參考引伸計(jì)之間的一致性非常好。應(yīng)變測(cè)量閾值低至每米引伸計(jì)基礎(chǔ)上的±1 m。盡管它的波形，擬議的傳感器體不會(huì)帶來(lái)任何損失或應(yīng)變，將導(dǎo)致纖維微彎。
930796.圖0010
圖10：放置在小混凝土樣品中的干涉波型傳感器的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。
然后，用真正分布的測(cè)量值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[28]。在這一階段遇到的一個(gè)主要困難是實(shí)現(xiàn)具有代表性的比例尺測(cè)試結(jié)構(gòu)，與市售Brillouin OTDR的1 m空間分辨率兼容（當(dāng)時(shí)，具有厘米空間分辨率的Brillouin儀器僅限于實(shí)驗(yàn)室食物）一根3 m長(zhǎng)的混凝土梁（300 50 25 cm3）在2.8 m光纖傳感電纜附近裝有電子溫度傳感器和機(jī)械應(yīng)變計(jì)。這些傳感器由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（G652型和其他類型）組成，包裹在類波復(fù)合涂層中，并與市售的布里淵OTDR配對(duì)?；炷亮簼仓^(guò)程中的溫度測(cè)量與參考測(cè)量結(jié)果一致，表明傳感器涂層的影響顯著。一個(gè)月后，在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中進(jìn)行的應(yīng)變測(cè)量顯示出有希望的結(jié)果：在拉伸和壓縮載荷下，測(cè)量結(jié)果顯示出線性和可靠性。
這些發(fā)展從2002年持續(xù)到2006年。他們強(qiáng)調(diào)，布里淵傳感的實(shí)際實(shí)現(xiàn)受到三個(gè)主要限制：（i）1 m空間分辨率，（ii）20 m/m量級(jí)的低重復(fù)性，以及（iii）溫度和應(yīng)變影響的分離。
最近，布里淵儀器的兩個(gè)工業(yè)供應(yīng)商聲稱其空間分辨率已提高到厘米級(jí)，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了廣泛演示[6，29–32]。此外，雖然不是基于布里淵散射，obr儀器聲稱分布式應(yīng)變傳感具有厘米空間分辨率（見(jiàn)第2.2.3節(jié)）。在過(guò)去的三年中，溫度與應(yīng)變分離的影響也得到了廣泛的研究。在第5.2.3節(jié)所述的室外試驗(yàn)中，對(duì)這兩種改進(jìn)進(jìn)行了試驗(yàn)。
5.2。室外試驗(yàn)
如圖11所示，安德拉的技術(shù)展覽設(shè)施建設(shè)是一個(gè)比較光纖測(cè)量鏈（傳感器和光電子）實(shí)驗(yàn)室性能和現(xiàn)場(chǎng)條件的機(jī)會(huì)。這是一座4700 m m m m m m m m m m m m m m放射性廢物地質(zhì)處置庫(kù)。
土木工程儀器正在迅速發(fā)展，特別是光纖傳感器經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，正從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
各種類型的光電儀器都是商用的，可以與許多不同的傳感電纜配對(duì)，以提供溫度或應(yīng)變分布測(cè)量。因此，可能很難選擇最適合給定應(yīng)用的技術(shù)組合（傳感電纜和光電詢問(wèn)方法）。
介紹了兩種土木工程應(yīng)用：堤防滲漏檢測(cè)和混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。在任何室外實(shí)驗(yàn)之前，必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。提出了評(píng)估（i）商用光電儀器（即拉曼分布式溫度儀器）和（ii）傳感電纜（包括用于應(yīng)變傳感的光纖）的具體方法。配對(duì)這些不同的傳感鏈組件需要向最終用戶提出建議，因?yàn)槌晒Φ氖彝鉁y(cè)試需要仔細(xì)考慮影響測(cè)量鏈的所有因素，以及與參考傳感器的適當(dāng)選擇和溫度補(bǔ)償相關(guān)的考慮因素。本文介紹了一些建議和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。
特別是沿光纖上分布測(cè)量的信號(hào)位置，以及與實(shí)際結(jié)構(gòu)位置的相關(guān)性被證明是一個(gè)主要問(wèn)題。提出了各種定位過(guò)程的描述。強(qiáng)調(diào)了光纖端頭（連接器、接頭、電纜連接坑）的重要性。同時(shí)也指出了外涂層對(duì)傳感電纜的影響。對(duì)于堤防漏水的檢測(cè)，先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理顯示是強(qiáng)制性的。在未來(lái)，它應(yīng)該能夠提高光纖系統(tǒng)從檢測(cè)到量化漏水的能力。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，剩余的限制是應(yīng)變測(cè)量的溫度補(bǔ)償。
考慮到這些因素，分布式溫度和應(yīng)變傳感現(xiàn)在被證明是一種有效和無(wú)與倫比的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工具。
