分布式光纤监测系统在混凝土坝的研究与应用

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发布时间：2021-09-11

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分布式光纤监测系统在混凝土坝的研究与应用
周柏兵，万永波，徐国龙，周克明
(1．水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京210012：
2．中水顾问集团成都勘察设计研究院，四川成都610072)
摘要：传统大坝坝体温度测量一般使用电类温度传感器，存在信息量少，难掌握坝体内部温度场的变化等问
题。为此，研究和论证适合测温的分布式光纤传感技术，并根据碾压混凝土坝温控监测的常用方法，结合先进
的分布式光纤传感技术在乐昌峡水利枢纽工程的应用，通过与常规温度监测系统热电偶的对比，着重讨论了分
布式光纤测温系统在碾压混凝土大坝温度测量中的可行性和先进性，同时展望分布式光纤温度监测技术在安全
监测其他领域的应用前景。
关键词：分布式；光纤监测系统；温度监测；传感技术；碾压混凝土坝
中图分类号：TV642 文献标识码：A 文章编号：1674—9405(2010)05—0032—05
0 前言
传统大坝坝体温度测量一般使用电类温度传感
器，此类传感器对工作的环境要求严，抗干扰能力
差，安装复杂干扰施工，尤其是传统的温度计信息
量太少，很难掌握整个坝体内部温度场的变化。鉴
于此，人们不断寻求新技术来解决这些问题，光纤
传感技术恰恰解决了这一问题。
实现光纤传感测量的技术有多种，经过比较，
在传感器定位精度上，利用拉曼效应分布式光纤传
感系统技术定位误差最小，能实现真正的分布式温
度监测。利用拉曼效应分布式光传感系统是一种
比较适合于水电大坝温度监测的系统。
1 分布式光纤传感技术的类型
1．1 利用后向瑞利散射的分布式光纤传感技术
瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹
性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相
同。在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般
采用光时域反射(OTDR)结构来实现被测物理量的
空间定位。
1．2 利用布里渊效应的分布式光纤传感技术
光通过光纤时，光子和光纤中因自发热运动而
产生的声子会产生非弹性碰撞，发生自发布里渊散
射。温度、应变与自发布里渊散射光的功率分别存
在正、反比例关系，并依据布里渊散射光的频移与
温度和应变的变化成正比的试验结果提出，通过求
解功率与频率变化的耦合方程可实现单根光纤上温
度与应变同时测量。
1．3 利用拉曼效应的分布式光纤传感技术
光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生
非弹性碰撞，发生拉曼散射，波长大于入射光的为
斯托克斯光，波长小于入射光的为反斯托克斯光。
根据拉曼散射理论，在自然拉曼散射条件下，2束反
射光的光强与温度有关，而且只与温度相关。
由于它在温度测量上所能达到的测量精度、传
感长度和空间分辨力高于其它传感技术，目前得到
广泛的关注与研究 J。
2 适用于温控监测的分布式光纤传感技术
的比选论证
本文选题思路旨在寻找适用于大坝安全监测领
域的测量大坝建筑物温度、应变等的新型光纤传