光纤监测

光纤监测（共11篇）

光纤监测 篇1

0 引 言

在测温传感器中,光纤布拉格光栅(FBG)传感器与常规的电子类传感器相比具有响应速度快、不受电磁干扰、结构简单、稳定性好和易于实现准分布式实时检测等优点[1],在许多领域得到应用。目前FBG温度监测系统的上位机程序大部分都是基于组态软件开发的。组态软件具有很好的封装性,易学易用,对于用户来说不需要掌握太多的编程语言技术就能很好地实现一个复杂工程所需要的所有功能。但是组态软件在某些场合下也存在一些缺陷[2]:一是组态王集成了很多的功能和开发方式,给用户提供了很大的选择余地,但是很多功能用户不会用到,却消耗了大量的系统资源;二是对于某些监测系统的一些底层设备来说,用组态王进行软件开发不一定合适,因为组态王采用的是硬件狗加密方式,每一个运行的组态王系统都需要一个运行狗,即使是两个完全相同的系统也需要使用两个运行狗,导致应用不便,也增加了成本。

本文作者基于用于过程控制的对象链接和嵌入(OLE for Process Control,OPC) 技术[3],以Visual C++6.0为编程环境,开发了FBG温度监测系统应用软件,该软件界面清晰,功能齐全,交互性好且易于使用,生成的安装文件很小,直接安装便可以使用,有利于FBG传感系统的推广应用。

1 监测软件的结构及关键技术

FBG温度监测系统由一台PC上位机和最多64台采集温度数据的下位机(FBG解调仪)组成,每台下位机有16个通道,每个通道可以同时串接32个光栅,所以本系统最多可以同时监测32 768个温度点。系统的监测软件采用Visual C++6.0开发完成,软件的结构框图和关键技术如图1所示。

本软件采用了多线程技术,其中一个线程只负责波长的采集、滤波和波长温度转换,并通过OPC技术使解调仪能与其他OPC客户程序(如组态王)进行通信,以便充分利用监测系统的资源。

1.1 波长数据预处理

数据预处理包括去除噪声和去除突变。FBG解调仪采集波长数据时受环境影响会有一些噪声,由于本监测系统是对温度进行监测,温度变化一般不会太快,但解调仪采集数据的频率较快,故可以采用数据平均的方法来消除噪声干扰,即当解调仪每采集到一个数据时,系统便会将这个数据与先前的n-1个数据求平均,来修正当前波长。平均的个数n可以由用户根据实际情况而定,数据的个数越多,去噪能力越强,曲线越平滑。但是平均数据个数太多时,将会引起数据失真,所以这个量必须根据FBG解调仪的采集频率和软件的实际使用情况而定。图2和图3所示分别为平均处理前后的数据,可以看出数据平均处理在噪声去除中有明显作用。

在一些比较恶劣的使用环境下,采集的波长数据有时会在一个时间点上发生突变,突变后瞬间复原,突变速率可达到几百℃每秒,采用去除突变的方法可以消除这种现象,即如果当前波长与前一次波长之差超过了某一阀值,则剔除此波长,或用前一波长替代此波长。图4和图5所示分别为突变数据去除前后的结果,可以看出,一个小时内出现了3次巨大的突变,但修正后效果良好。

1.2 温度标定

由FBG传感器的工作原理可知,FBG受温度影响时,其Bragg波长变化ΔλB与温度变化ΔT的关系如下[4]:ΔλB/λB=(α+ζ)ΔT ,式中,α为光纤的热膨胀系数,ζ为光纤的热光系数,两者之和为温度系数。针对某一特定的光栅,在温度变化范围较小的情况下,Bragg波长变化与温度变化基本上呈线性关系。所以通过标定一个当前波长和其对应的当前温度,以及温度系数,就可以利用线性关系求出其他波长所对应的温度,这就是直线标定。

在某些特定的情况下,对温度的精度要求比较高,采用线性关系来标定时会存在较大的误差,这时可采用逐一标定的方法,即曲线标定。针对某一个光栅,它的波长和温度有一一对应的曲线关系,将标定的关系保存到数据库中,可以利用数据库查询的方式来确定对应的温度。

1.3 网格GridCtrl控件的使用

在Visual C++6.0中,要显示和编辑现有表中的数据主要是使用其内部自带的CListCtrl类,但是这个类的功能十分单一,要扩展这个类的功能则需要花大量的时间。本软件的温度标定采用GridCtrl控件,这个控件有类似于EXCEL的界面和功能,用户可以在开源代码网站上下载这个控件类的代码。GridCtrl控件的功能十分强大,其成员函数就达200个。图6所示为本软件温度标定中使用该控件的运行效果,控件具有数据查询、波长采集、波长保存和逐一编辑等功能。

1.4 示波器NTGraph.ocx控件的使用

在监测系统中,很重要的一个方面就是监测参数的动态曲线显示,故示波器的使用是十分必要的。然而Visual C++6.0中没有自带的示波器控件,这就要求事先计算好示波器的形状,然后利用最基本的设备描述表(DC)设备,从示波器的边框、坐标、文字、线条和背景开始,一笔一画做出来。整个过程很繁琐,要写大量的代码才能完成。

本软件进行温度动态显示所采用的策略是使用NTGraph.ocx控件。该控件功能强大,界面清晰,可以对示波器中的任何元素进行属性设置,可添加多条曲线、多个标签,可放大、平移等,接口函数非常简单,只需要调用几个函数就能实现所需要的功能。该对象类别扩充组件(Object Class Extension,OCX)控件及其源程序也可在开源代码网站下载。图7所示为这个控件的运行效果,图中示波器监测的是第1号设备第1号通道第1号光栅的温度曲线。

1.5 串口通信

为了简化程序,提高软件开发效率,使用了Microsoft公司的ActiveX控件——MSComm,该控件为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。VC++6.0中提供了MSComm控件,用户可以在自己的应用程序中嵌入MSComm控件,利用它可以方便地进行计算机串口的通信管理[5,6]。

2 软件在电力系统温度监测中的应用

某高压电力线的温度监测系统原先采用热电偶,后来改装成了FBG传感器。图8所示为分别采用热电偶和FBG传感器的两个系统同时运行两天的测温结果,两条曲线基本上重合,说明本系统具有非常好的测温效果。在此期间,有多次停电和送电操作,而突然停电和送电会引起温度的变化,也会导致电磁场发生强烈变化。但石英玻璃光纤是电绝缘材料,光纤传感器测量和传输的信号是光信号,不受外界电磁环境的干扰。从图8可以看出,温度的升降是渐变的而不是突变的,停电与送电引起电磁场的变化对本系统没有影响,这也说明了基于FBG的温度监测系统具有很强的抗电磁干扰能力。

3 结束语

本文作者开发了FBG温度监测系统应用软件,对采集的数据进行去除噪声和去除突变预处理,采用直线标定或曲线标定方法对温度进行标定,测温效果较好。串口通信使多个PC机能够共享数据资源,可实现多台上位机同时监测同一温度点。本文还说明了两个重要控件——网格GridCtrl控件和示波器NTGraph.ocx控件的使用方法,这对其他监测系统的软件设计有参考作用。本文作者开发的软件具有功能强大、安装简单和容易使用等特点,有一定的扩展性,只需对标定系数进行修改,就可应用到对应变等参量进行测量的监测系统中。

参考文献

[1]董杰.光纤温度监测系统的设计[J].中国仪器仪表,2009,(03):92-94.

[2]谭赞.低压配电监控上位机系统的设计与研究[D].大连:大连理工大学,2005.

[3]杨锦园.基于OPC技术的光纤光栅传感器接口程序设计[J].工业仪表与自动化装置,2007,(5):25-28.

[4]李淑娟,张士娥,王哲,等.光纤光栅医疗多点温度监测系统的研究[J].山东科学,2008,21(6):64-67.

[5]金立江,李文,张继和.基于MODBUS协议的变频器VC++控制系统[J].自动化与仪表,2008,(4):32-34.

[6]潘洪跃.基于MODBUS协议通信的设计与实现[J].计量技术,2002,(4):35-36.

光纤监测 篇2

摘要：本文简述了分布式光纤监测技术在我国大坝安全监测中的应用情况;详细阐述了两类分布式光纤监测系统的原理、主要特点及性能;对今后分布式光纤监测技术的发展作了展望。

关键词：分布式监测光纤

1、我国大坝分布式光纤监测技术应用概况

20世纪70年代，光纤监测技术伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来。与传统的监测技术相比，光纤监测技术有一系列独特的优点：

(1)光纤传感器的光信号作为载体，光纤为媒质，光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，该传感器具有耐腐蚀，抗电磁干扰，防雷击等特点，属本质安全。

(2)光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设。

(3)灵敏度高，可靠性好，使用寿命长。

分布式光纤监测技术除了具有以上的特点外，还具有以下二个显著的优点：

(1)可以准确的测出光纤沿线任一点的监测量，信息量大，成果直观。

(2)光纤既作为传感器，又作为传输介质，结构简单，不仅方便施工，潜在故障大大低于传统技术，可维护性强，而且性能价格比好。

我国从20世纪90年代后期在新疆石门子水库首次利用分布式光纤监测技术测量碾压砼拱坝温度以来，至今已有多个工程应用，并且，我国已有专门从事分布式光纤监测仪器设备制造厂——宁波振东光电有限公司，发展极为迅速。

由于水电水利工程中有许多物理场需要监测，如温度场、应力场、位移场、渗流场，等等。以往采用单点监测方法，测点少，成果不直观，需要通过分析才能最终了解场的情况，这种传统的单点监测方法不仅费工、费时、费钱，而且效果也不理想。而如果采用分布式光纤监测技术就可以准确地测定光纤沿线任一点上的温度、应力和位移，信息量大，成果直观。如果将光纤按一定的网络铺设，可实现对大坝安全的全方位监测，可以克服传统点式监测容易漏测和渗流难以定位的弊端，极大提高安全监测的有效性，如俄罗斯萨扬.舒申斯克重力拱坝，内部仪器埋设达2500多支，竟未测出坝基长达486m的水平缝，直至该缝向坝内延伸20余米，引起廊道漏水才被发觉，这充分说明点式监测的局限性，因此，分布式光纤监测技术倍受青睐。从监测内容看，当前我国应用大致可分为四类。

第一类是温度监测。如设置于新疆石门子碾压砼拱坝内的分布式光纤温度监测系统，设置于三峡大坝内的分布式测温系统，设置于广东长调水电站砼面板的温度监测系统，等等。由于分布式光纤监测测点多，信息量大，都获得了较好的监测成果，较全面地反映了大坝温度场的分布情况。

第二类是渗流定位监测。如设置于广东长调水电站面板周边缝的分布式光纤温度——渗流监测系统。水库蓄水期间，即发现周边缝有几处渗漏点，对渗漏定位相当有效。

第三类是位移和随机裂缝监测。如设置于隔河岩电站水库覃家田滑坡中的螺旋型分布式光纤位移监测系统，设置于湖北古洞口面板堆石坝面板上的随机裂缝光纤自诊断系统。由于单模光纤抗拉强度不高，能测随机裂缝的.缝宽不大，当裂缝大于2mm时，光纤易被拉断。因此，对随机裂缝的监测生命期尚不长。

第四类是裂缝监测。如设置于古洞口面板堆石坝周边缝面板间缝的准分布式光纤测缝计监测系统。通过监测，也获得了光纤测缝计埋设处缝宽变化的较好效果。

当前，在建和拟建的水电水利工程，如索风营水电站、景洪水电站、三板溪水电站、水布垭水电站、坦肯水电站、锦屏一级水电站、瀑布沟水电站、拉西瓦水电站等等，在大坝安全监测中，都正在或计划采用分布式光纤监测系统。

分布式光纤监测技术在碾压混凝土坝的应用发展较快，继新疆石门子碾压混凝土拱坝后，索风营碾压混凝土重力坝，景洪碾压混凝土重力坝都已经和准备应用。对碾压混凝土坝，分布式光纤监测具有较大的应用优势，因为它对施工干扰小，它既具有监测温度场的功能，又兼有对碾压层面进行渗流定位监测的功能。从目前应用情况来看，光纤网络布置有二种形式。一种是平面网络形式，光纤连续地沿坝体横断面自下而上作蛇形布置;另一种是空间网络形式，取某坝段作监测对象，光纤自下而上连续地沿水平截面从左至右或从右至左作蛇形布置。空间网络布置不仅可以监测多个横断面的温度场，了解施工期和运行期坝体温度空间分布和变化情况，而且可以对碾压层面进行渗流定位监测。

2、两种分布式光纤监测系统

分布式光纤监测系统其实是分布调制的是光纤传感系统。所谓分布调制，就是沿光纤传输路径上的外界信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断调制(传感)，在光纤中形成调制信息谱带，并通过独特的检测技术，介调调制信号谱带，从而获得外界场信号的大小及空间分布。因此，分布式光纤监测系统通常由激光光源，传感光纤(缆)和检测单元组成，是一种自动化的监测系统。

按照调制方式的不同，分布式光纤监测系统分为分布式传光型光纤监测系统和分布式传感型光纤监测系统或准分布式光纤监测系统和分布式光纤监测系统。

2.1分布式传光型(准分布式)光纤监测系统

分布式传光型光纤监测系统的特点是：将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、介调检测出被测量的大小。分布式传光型监测系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统，故又称准分布式光纤监测系统或非本征型分布式光纤监测系统。光纤总线仅起传光作用，不起传感作用。根据寻址方式不同，分布式传光型光纤监测系统可分为时分复用、波分复用、频分复用、偏分复用和空分复用等几类。其中，时分复用、波分复用和空分复用技术较成熟，复用的点数较多。

1、时分复用

时分复用靠耦合于同一根光纤上的传感器之间的光程差，即光纤对光波的延迟效应来寻址。当一脉宽小于光纤总线上相邻传感器之间的传输时间的光脉冲自光纤总线输入端注入时，由于光纤总线上各传感器距光脉冲发射端的距离不同，在光纤总线的终端(或始端)将会接收到许多光脉冲，其中每一个光脉冲对应光纤总线上的一个传感器，光脉冲的延时即反应传感器在光纤总线上的地址，光脉冲的幅度或波长的变化即反应该点被测量的大小。在这里，注入的光脉冲越窄，传感器在光纤总线上的允许间距越小，可耦合的传感器越多，但是，对介调系统的要求越苛刻。

2、波分复用

波分复用是通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长来寻址。当光源发出的连续宽带光(经光波长编码)注入光纤总线时，在光纤传感器与监测量发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回，其余宽带光则直接透射过去继续前进，遇到第2个光纤传感器，又有选择地反射回相应的一个窄带光。由于各传感器的特征波长不同，通过滤波/解码系统即可求出被测信号的大小和位置。该法由于一些实际部件的限制，总线上允许的传感器数目不多，一般为8—12个。3、频分复用

频分复用是将多个光源调制在不同的频率上，经过各分立的传感器汇集在一根或多根光纤总线上，每个传感器的信息即包含在总线信号中的对应频率分量上。采用光源强度调制的频分复用技术可用于光强调制型传感器，采用光源光频调制的频分复用技术可以用于光相位调制型传感器。

4、空分复用

空分复用是将各传感器的接收光纤的终端按空间位置编码，通过扫描机构控制光开关选址。这时，开关网络应合理布置，信道间隔应选择合适，以保证在某一时刻单光源仅与一个传感器通道相连。空分复用的优点是能够准确地进行空间选址，实际复用的传感器不能太多，以少于10个为佳。

目前国内北京品傲光电科技有限公司和武汉理工大学研制的准分布式光纤监测系统都是采用了光纤光栅传感器，传感信号为波长调制，系统采用波分复用技术。

三峡大学研制了由“光纤裂缝计”和“光纤测缝计智能分析仪”组成的准分布式光纤监测系统，采用的是根据光强调制的测缝计，询址采用的是时分复用技术。

准分布式光纤监测系统通过将多个相同类型或不同类型的传感在一条光纤上串接复用，减少了传输线路，方便了施工，大大简化了线路的布设。并且，可以实现多点同时测量，避免了以往逐点测量不同步的弊端。但是，准分布式光纤监测系统存在如下不足：

(1)由于分布式传光型光纤监测系统是通过一条光纤将若干个光纤传感器串接而成，系统的光功率损耗较大，因此，一条光纤只能接入有限的光纤传感器，如分布式光纤光栅监测系统一般仅能接入8—12个光纤传感器。

(2)分布式传光型光纤监测系统实质上是多个单测点光纤传感的串接复用系统。一旦系统埋设安装后，测点无法增加。

2.2分布式传感型(分布式)光纤监测系统

分布式传感型光纤监测系统的特点是，利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，光纤总线不仅起传光作用，还起传感作用，所以分布式传感型光纤监测系统又称本征分布式光纤监测系统，或全分布式光纤监测系统，简称分布式光纤检测系统。

分布式传感型光纤监测系统有下列优点：

(1)信息量大。分布式传感型光纤监测系统能在整个连续光纤的长度上，以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化，即光纤任一点都是“传感器”，它的信息量可以说是海量信息。

(2)结构简单，可靠性高。由于分布式传感型光纤监测系统的光纤总线不仅起传光作用，而且起传感作用，因此结构异常简单，方便施工，潜在故障少，可维护性好，可靠性高。

(3)使用方便。光纤埋设后，测点可以按需要设定，可以取2m距离为一个测点，也可以取1m距离为一个测点等，按需要可以改变设定。因此，在病害定位监测时极其方便。

(4)性能价格比好。目前，光纤价格不高，一条光纤的测点又可达成百上千个，因此，每一个测点的价格就远远低于传统单测点的价格，性能价格比相当好。

分布式光纤监测系统相对于电信号为基础的传感监测系统和点式光纤监测系统而言，无论是从监测技术的难度、监测量的内容及指标，还是从监测的场合和范围都提高到了一个新的阶段。

3、展望

当前，分布式光纤监测系统主要是一种时域分布式光纤监测系统，它的技术基础是光时域反射技术OTDR(opticaltime—domainreflectormetry)。OTDR最初用于评价光学通信领域中光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的手段，其工作机理是脉冲激光器向被测光纤发射光脉冲，该光脉冲通过光纤时由于光纤存在折射率的微观不均匀性，以及光纤微观特性的变化，有一部分光会偏离原来的传播向空间散射，在光纤中形成后向散射光和前向散射光。其中，后向散射光向后传播至光纤的始端，经定向耦合器送至光电检测系统。由于每一个向后传播的散射光对应光纤总线上的一个测点，散射光的延时即反应在光纤总线上的位置。

由于从光纤返回的后向散射光有3种成分：

(1)由光纤折射率的微小变化引起的瑞利(RayLeigh)散射，其频率与入射光相同;

(2)由光子与光声子相互作用而引起的拉曼(Raman)散射，其频率与入射光相差几十太赫兹;

(3)由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引起的布里渊(Brillouin)散射。其频率与入射光相差几十吉赫兹。

因此，时域分布光纤检测系统按光的载体可分为三种形式：基于拉曼散射的分布式光纤检测系统、基于瑞利散射的分布式光纤监测系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统。当前，前二种形式的研究和应用较多，后一种形式是国际上近年来才研发出来的一项尖端技术，国内研究才刚刚起步。由于后一种形式可用来测量光纤沿线的应变分布，可以预计，不久在这方面将有所突破，并且前二种形式将发展成更多的应用种类，逐渐向大坝安全监测的各个领域渗透。光纤网络布置形式将更趋丰富多样，更趋科学合理。

与此同时，准分布式光纤监测系统将获得较大发展，以光纤应变计组成的三向应变和二向应变的准分布式监测系统将面世;同一坝段一些非物理场类监测量，如裂缝监测，以及同一区域一些非物理场类监测量，如预应力监测，将出现更多的准分布式光纤监测系统，从而使相关量获得同步观测，大大提高观测资料的质量。

4、结语

分布式光纤监测技术是当代高科技的结晶，是一种理想的大坝安全监测系统，广大安全监测工作者应予以积极推广。

分布式光纤经久耐用，安全可靠，由它构成的网络可以遍布坝体，这些光纤网络犹如神经系统，可以感知坝体各部位相关信息，大坝因此而有望成为一种机敏结构。

可以感觉到，光纤智能大坝正在悄悄地向我们走来。

参考文献

1、B.culshawJ.Dakin：光纤传感器(M)华中理工大学出版社.7

2、蔡德所：光纤传感技术在大坝工程中的应用(M)中国水利水电出版社.12

3、秦一涛，刘剑鸣等：分布式光纤温度监测系统在长调水电站中的应用实践(J)大坝与安全.1

光纤监测 篇3

关键词： 光纤传感器； 拉曼散射； 电力电缆； 载流量/温度

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.01.015

引言 随着经济社会的发展，对电的需求量越来越大，水电、火电、可再生发电系统、城市变电的大规模建立，电缆输电任务随之加大，如何来保证电缆的安全正常有效的运营，保障电缆资产价值，成为一种迫切需要解决的问题。电缆运行不安全因素主要为电缆在运行时电缆发热，导致电缆温度过高致使电缆发生火灾。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点。目前国内外研究机构用光纤传感监测技术对电力电缆在线测温及载流量[1]的安全监测的研发和应用大多还处于初期研究阶段，应用也基本停留在对个别设备和某个部件的监测上。比如Micron Optics公司推出的光纤点式测温系统实现对风力发电机组的温度检测。基于拉曼分布式光纤温度传感技术的分布式光纤载流量/温度安全监测系统，不仅具有普通光纤传感器的优点，而且还具有对光纤沿线各点的载流量/温度的分布式传感能力。利用这种特点可以连续实时测量光纤沿线几十公里内各点的温度。定位精度≤1 m，测温精度可达1 ℃，非常适用于高压电力电缆的载流量/温度传感监测的应用场合。1系统工作原理分布式光纤载流量/温度安全监测系统由拉曼分布式光纤测温传感器、感温光缆、载流量软件以及电流记录仪组成。拉曼分布式光纤测温传感器[24]能对电力电缆全线温度进行周期性实时在线监测，对极易出现故障的电缆接头进行重点监测。该项技术利用光纤作为传感器，将光纤直接敷设在被测物体表面，在一定条件下被测物体各个位置的温度信号会以光波的形式回传到光纤端部，最终被提取并显示出来。这种技术只需一根或几根光纤就可以监测长达数十公里的线型设备或点式设备。光纤的拉曼散射与温度有着密切的关系。依据光时域反射测定法[5]，将短促的激光脉冲按精确的时间间隔注入光纤之中。在同一根光纤中，散射光的强度随时间呈现出指数衰减。如果知道光在光纤中的传播速度，就能计算出距离。从该指数衰减的偏差就能得出温度。光纤既是该信号的生成器，又是该信号的渠道。反射光被分流到传感器中来加以解码。在光纤测温系统连接的监控屏上能同时显示距离和温度数据。利用此技术把光纤与被测高压电缆采用接触方式安装，测出高压电缆表面温度，根据表面温度，电缆结构，辐射环境等因素，精确计算出电缆的线芯温度，通过线芯温度计算出通过线芯的载流量，并给出电缆对应分区的最高温度，电缆的运行温度和电缆的负荷水平，对温度异常点进行报警。光学仪器第35卷

第1期杨斌，等：分布式光纤载流量/温度安全监测系统的研究

拉曼光强差和温度为：Pa/Ps∝exp（-h·c·Δν/kT）（1）式（1）中，Pa表示为拉曼散射反斯托克斯光Antistokes功率，Ps为 拉曼散射斯托克斯光（stokes）功率，h为普朗克常数，c为光速，Δν为拉曼频移量，T为温度。温度探测距离为 z=tV/2（2）其中，t表示两倍定点距离光传播时间，V为光纤中光速。2系统的结构与功能设计分布式光纤载流量/温度安全监测系统：系统由中控室、分布式光纤温度传感器、数据采集器（PLC）、光纤（缆）等设备组成。系统结构图如图1所示。分布式光纤载流量/温度安全监测系统可以通过电缆温度的监测计算得到电缆载流量变化情况。同时在电缆隧道中实现高温危险报警。主要功能包括：（1）分布式光纤温度传感器准确实时测量整条电缆的温度分布。它的探测范围：30 km，温度精度：1 ℃，定位精度：1 m；图1系统结构图

光纤光栅石油管道泄漏监测系统 篇4

可靠性和准确性,是输油管道检测的关键所在。面对野外恶劣环境,传统传感器的种种缺陷使其无法工作,而精度高、轻巧能够承受极端条件等优点却是光纤传感器所具备的,基于其集传感与传输于一体的特点,远距离测量与监控可以实现,整个光纤分布区域的一维分布图经一次测定便可获取,长达几十公里的管道的信息也可被测得,在很大程度上降低了成本[1,2]。

1 多点式光纤光栅传感器原理和结构

1.1 多点温度传感原理

Bragg光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏特性,通过工艺方法使外界入射的光和纤芯内的掺杂粒子相互作用,导致纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生光栅效应[3]。

作为一种广义传感方式,光纤光栅多点传感的特点是以单点传感为基础,同时满足分辨因子σ>0条件。考虑使用N个光纤Bragg光栅串成的光栅阵列,则有

Δλi0为光纤光栅串中的第i个光栅的自由中心波长,Δλi为第i个光栅的反射波长的漂移量,ΔTi是为第i个光栅的受外场作用产生的温度变化[4,5]。

1.2 多点光纤Bragg光栅传感器结构

依次连接多个光纤光栅传感器,将其串联成线性阵列,形成光纤光栅阵列。经准直透镜扩束后,传感光栅反射光谱的中心波长变成平行光入射到衍射光栅上,衍射光栅对其反射分光,分解单束复色光为多束单色光,一系列按波长顺序排列的光谱在出射透镜焦平面上形成,在出射透镜焦平面上放置线阵InGaAs用于光谱的接收[6,7]。

当传感光栅反射光谱的中心波长受外界影响而发生改变时,相应的谱线漂移也会在出射透镜焦平面上的光谱中产生,随之发生变化的还有线阵InGaAs探测到的不同波长谱线所对应的接收光强,一维视场中不同位置的光强变化由线阵InGaAs转化成对应的电平信号,排列这些电平信号即可得到线阵InGaAs的线性视场的光强分布[8,9]。波分复用和空分复用技术可应用于InGaAs测各波长的相对光强,以解调多通道光纤光栅传感阵列,通过USB口将信息处理模块和计算机连接,管道温度场变化引起的传感光栅反射光谱中心波长的微小移位可被监测出,管道泄漏的自动监测得以实现。实验中按照该原理搭建实验平台验证系统的稳定性[10],该系统主要包含中心波长为1302nm输出光功率为95 mW的光源、单模光(SMF)、一组中心波长在1310nm附近的光纤FBG光栅、3dB光纤耦合器、恒温仪、FBG信号分析模块、数据采集软件等。将传感光栅置于恒温器内,将温度调整为35℃,待稳定后记录相应的波长为1298.920nm,然后依次升高温度,记录相应波长,得到的温度与波长关系曲线图1。

由测试结果可以看出,系统的线性关系良好,只有个别测量点出现波动。由图可知,BG中心波长的相对漂移量与温度是呈线性的,其线性度可以达到0.996,说明该系统在温度变化时具有良好的温度响应性。系统不受电磁波及电流的干扰,是因为系统的数据采集和传送过程无关于电信号,准确度高,稳定性好,适应环境性强等是系统所具备的特点。

2 输油管道泄漏监测系统的设计

宽带光源通过光纤L1与2x2藕合器的入射端相连,藕合器的出射端接一条分布式FBG阵列G1。G1上串联若干只光纤光栅传感器,其中心波长分别为λ1、λ2、λ3…每米光缆上安装灵敏度为22pm/℃的传感探头,管道底部构建混凝土结构,将生石灰和传感阵列放入,顶部开多个小孔,用塑料薄膜包裹整个管道进行封装,起隔水作用,记录保存初始时各个光栅的反射波长。

石油管道运输石油时,石油含水量为1%左右,当管道某一处发生破裂时,石油因自身的重力作用沿着外壁向下流动,流到底部通过小孔进入装置与生石灰接触,生石灰与石油中水分化学反应放热,利用分析仪便观察到传感光栅中心波长发生明显的漂移。每一点对应一个反射光的中心波长值,确定了漂移点的中心波长,也就知道了相应的泄漏处。

3 实验及结果分析

将20米长腐蚀过废弃的管道埋入地下,管道两侧由软管通石油,软管用水泵连接,组成石油循环系统,监测时首先记录未通石油时各个光栅的反射波长,然后向管道通石油10min左右,记录相应波长,计算两次波长的差值。所测数据见表1,加热前后波长变化对应温度变化关系式△T=△λ/22得到温度变化见图2。从图中看出20个传感探头对应各个监测点温度变化规律,5和11传感探头测得温度升高变化量相对其他传感探头大,表明这些监测点对应的水分相对于其它监测点大,判断存在异常情况,可能有泄漏事故。对应传感探头在管道的分布图,查看管道泄漏情况,及时修复管道。

4 结论

光纤监测 篇5

关键词： 分布式光纤传感； 后向散射； 电力电缆； 健康状态监测

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.015

引言

电力电缆是电力传输的重要载体。但是人为因素（如：施工挖断、被盗等）和自然灾害（如：滑坡、塌方、地基沉降、洪水等）会造成电缆线路故障，影响电力电网建设效能的发挥。因此，如何应用科学手段实现对电力电缆的运行及环境状态的监控、预警和定位、以便及时提醒线路维护人员提前采取预防措施显得十分的紧迫和必要。

文中研究一种基于全光纤传感技术的智能监测系统，该系统利用光纤传感器对电网中的电力电缆线路的运行状况进行全方位实时智能监测。该智能监测系统不但可实现对电力电缆线路的温度、载流量、偷盗入侵等进行监测，确保电网安全、高效运行，而且还可综合分析处理各传感器信息，在出现异常情况时，通过控制相应的联动设备采取一定的措施来保障电网正常运行。

基于光纤光栅的管道应力监测系统 篇6

目前,光纤光栅传感技术已成功应用于管道的泄露检测、滑坡监测及应力变形监测等不同场合[3,4,5];建立一个长久可靠的结构健康监测系统,除了要求硬件系统尤其是传感器能够经久耐用之外,开发高效实用的软件系统也是一个关键。笔者的目的就是以某管道应力应变监测为例,在研究应力监测系统组成的基础上,构建基于应力在线预警和离线数据统计相结合的软件开发模式。

1 应力监测系统组成

光纤光栅管道应力监测系统包括硬件和软件两部分,如图1所示,其中硬件由传感器子系统和数据采集与传输子系统组成,主要用于获取管道上关键部位的应力信息,并将传感器的信号送到数据处理和控制系统;软件包括数据管理子系统和数据分析处理子系统,主要对数据进行二次预处理、结果显示、存档及入库等操作,具有在线评估和离线评估功能,前者对监测数据进行实时安全性预警并进行初步评估,后者可进行信息提取和挖掘、损伤识别,实现安全性、耐久性评估等。

S1～S2——光纤光栅应变传感器;t1——纤光栅温度传感器

2 在线预警软件

在本监测方案中,解调系统选用美国Micro Optics公司的sm125-500低速光纤光栅传感解调仪,并配备sm041-416光开关扩展模块,以实现上百点的应变监测;监测软件为Micro Optics公司的ENLIGHT软件。MOI-ENLIGHT软件基于强大的.net开发环境,可把光学波长参数转换成应变、温度等实际的物理量,实现数据采集、处理和分析功能,其采集标签页(Acquisition)如图2所示。

由于光纤光栅同时受到温度和应变作用,在工程实际应用中通常串联温度传感器,因而计算应变时需要进行测量结果补偿,在软件界面的传感器标签页(Sensors)上,经温度补偿后的实际应变值设置为:

式中ε——待求应变值;

λ——实测中心波长;

λ0——初始中心波长;

KT——温度灵敏度系数;

Kε——应变灵敏度系数;

T——传感器实测温度;

T0——出厂时标定或初次安装时提供的传感器初始温度。

具体的设置界面如图3所示,在曲线显示标签页(Charts)中将实时显示补偿后的实际应变变化,并通过保存标签页(Save)可以连续或定时存储传感器或谱响应的实时采集数据。同时,可以设定传感器的报警阈值,进而在图形显示标签页(Image)中分别用绿色、黄色、红色的标记显示监测部位是否安全、超出预警及超出极限值等信息以提醒用户。另外,通过设置标签页(Settings),一旦超过阈值,可以在预警提示标签页(Alerts)中给出具体的提示信息、警告信息和报警信息,或触发的报警信号可经Email通知用户。

3 离线评估软件

上述的在线实时采集为管道提供了大量的、全面的应变监测数据。MOI-ENLIGHT软件自动保存监测点的谱峰波长或传感器应变数据,并自动追加详细时间及文件扩展名.TXT,这些文本数据利用“记事本”或“WORD”均可打开。

由于每个文件记录的仅是某一时刻的采集信息,因此要想分析管道监测部位的整体应变变化趋势或总结危险部位的受力变化规律,就必须将这些离线数据通过“EXCEL”软件或其他编程软件进行统计分析,为此基于.net平台下的C#开发环境,并采用SQL Server对数据进行管理,开发了后续数据管理与统计分析软件。首先将某一文件夹下所有文本数据导入SQL Server数据库。

软件可以直观显示所选区间内监测点的应变变化、应力变化和截面最大应力值变化曲线,如图4所示为2012年2～4月期间膨胀压缩机B压缩端出口管线上测点BY_E01、BY_E02和BY_E03的应力变化趋势,表明各点应力整体趋于稳定,缩小区间范围可以清晰发现测点BY_E02分别于2012-4-7日夜晚和2012-4-9日下午应力值突然增大,从而便于发现突变信息,进而早期诊断原因。

对于外在条件如地基沉降、滑坡滑动等是一个缓慢的累积过程,可以统计分析正常工作压力下每月、每季度甚至每年的应力均值及变化趋势,进而得到一月、一季度至一年来外在环境因素对管道应力变化的影响和贡献。图5所示为图4对应下每个月的均值及均方差变化曲线,可见不同时刻监测的应力值与当月的均值偏差较大,而由均值曲线可知随着时间的推移,应力总体趋势是增加的,这与实际的影响结果是一致的。

4 结论

4.1 将光纤光栅传感技术引入管道应力监测领域,开发了适合于高压、高温及低温等环境下的软硬件测试系统,满足了对管道重要部位进行全天候、无间断应力监测的要求。

4.2 在线预警软件实时在线监测关键部位是否超过警戒值而发出警告信息,确保采集数据的实时性和可靠性,为在役油气管道应力监测长期提供大量、全面的基础数据。

4.3 离线评估软件可进行管道应力突变诊断、损伤累积识别及外在因素等引起的安全趋势分析,并完成突发事件评估及年度评估,对其他重要结构的应力监测具有重要的借鉴意义。

参考文献

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光纤监测 篇7

分布式光纤测温技术是接触式测温法的一种。光纤内传送的是光信号, 有良好的抗射频干扰和抗电磁干扰的特点, 耐高电压和强电磁场, 耐电离辐射, 并且光缆还具有阻燃、防爆、耐腐蚀等优点, 即使在比较恶劣的有害环境中也能对被测对象的温度进行实时检测, 监测其变化。对于温度异常的位置能及时发现, 并给出准确的报警。

1 光纤温度传感系统工作原理

分布式光纤温度传感是一种用于实时测量空间温度场分布的新技术, 对光纤沿线地点的温度进行分布连续检测, 以光纤作为温度传感器, 依据光纤的光时域反射 (OTDR:Optical Time Domain Reflectometry) 原理以及光纤的背向拉曼散射 (Raman Scattering) 温度效应。在光纤中, 光信号传输到光纤内的任意位置, 都会产生拉曼散射光。拉曼散射光在光纤内的整个空间角内是均匀分布的, 其中一部分拉曼散射光会沿光纤传送路径向光源处传播, 称为背向拉曼散射光。光探测单元接收并分别滤出Anti-Stokes光和Stokes光, 只要计算出这两种光的强度比, 就可以计算出反射点的温度。

分布式光纤温度传感系统由脉冲激光器、滤波器件、多通道切换设备、高速数据处理单元、高速数据采集系统和光电转换电路等组成, 如图1所示。激光脉冲信号经由耦合器射入用作传感回路的光纤通道, 采集由光纤通道传送回的背向散射光波, 并对光波用波长进行区别, 将光波分为分成斯托克斯通道和反斯托克斯通道。对于由高灵敏、低噪声硅雪崩二极管组件组成的光电检测装置放置于低温恒温槽, 以使雪崩二极管组件能稳定工作。温度信号的解调和信号处理、显示主要计算机进行处理。

2 系统结构

分布式光纤测温系统主要由DTS测温主机、网络交换机、CSM状态监测主机、测温光缆、客户终端等设备组成, 如图2所示。

测温光缆将监测信号传送至DTS测温主机, DTS测温主机对测温光缆传回的温度信号及火灾信息进行滤波、光电转换、放大、模数转换后, 通过以太网交换机送至CSM主机。CSM主机通过采集温度数据, 绘制显示温度图表, 并将相应数据通过以太网送至客户终端。

1) 测温光缆

测温光缆固定在待监测电缆回路上, 在电缆中间接头采取加强敷设来实现对电缆接头的重点监控。

测温光缆根据安装方式的不同, 可分为外置式光纤测温系统和内置式光纤测温系统。外置式光纤测温系统在进行光缆敷设时, 将光缆敷设在电力电缆外护套之外。内置式光纤测温系统在进行探测光缆敷时, 将光缆敷设在电力电缆内部的金属护套和绝缘屏蔽层之间。探测光缆的外置式敷设和内置式敷设各有特点, 应根据实际需要进行选择。

2) DST测温主机

DTS测温主机具有监测距离远, 监测通道多, 定位准确, 温度分辨率高, 测量时间短等特点。DTS测温主机通常安装在监控室内, 与测温光缆相连, 实现对电力电缆表面温度信息的采集、处理, 输出温度报警信息等功能, 如图3所示。

3) CSM主机

CSM主机通常安装在中央控制室或者监控室内, 其与DTS测温主机之间的通讯, 可以通过以太网或modbus总线等, 并通过以太网与外部网络进行通信。CSM主机主要功能是实现对DTS测温主机参数设置, 如通道选择、监测区域划分、报警参数设置、通信参数设置等;采集和显示电缆表面的温度数据和温度曲线;计算电缆导体温度数据, 并显示温度数据和温度曲线;实现对被测电缆布局的组态;输出多级报警等。

3 结束语

由于测温光纤具有无电磁干扰、抗干扰能力强、阻燃、防爆、耐腐蚀、能在有害环境中安全运行、具有本征安全、测量距离远、测量精度高、定位快速准确等特点, 能够对温度进行实时监测, 并将测量结果快速准确传送到监控端, 对发现温度异常点, 预防故障发生, 准确定位故障发生位置, 保障系统安全正常运行有着重要作用。

参考文献

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光纤监测 篇8

光纤传感器由于其无电传输,具有本质安全性,适于远距离在线测量,可工作于易燃易爆环境以及强电磁干扰环境,具有传感单元结构简单、稳定可靠等特点。近年来,光纤气体传感检测技术已成为热点研究领域。

可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)是一种先进的气体检测技术,其具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快等特点。利用半导体激光器的可调谐性和超窄谱宽的特性,通过扫描气体的某一条吸收谱线以实现快速检测气体的浓度,且避免了其他气体的交叉干扰。采用TDLAS测量技术往往需结合波长调制法,波长调制是将高频正弦波加载在低频的锯齿波上,并将叠加后的信号用来驱动光源发光,该光束通过气室被气体吸收后,带有气体浓度的光信号进入光电探测器,光电探测器将光信号转换为电信号,输出的电信号进入滤波锁相电路,被高频正弦信号的二倍频信号解调就能得到反映气体浓度信息的二次谐波信号。波长调制法可以有效地抑制高频背景噪声,使得探测极限可以达到10-6～10-7的吸收单位。与传统的测量方法相比,以可调谐半导体激光器为光源的TDLAS测量方法干涉小、成本低、器件性能稳定,可通过光纤远距离传输,避免了恶劣环境的干扰,在气体浓度测量方面具有广泛的应用前景。

1 波长调制原理

光通过含有某种气体成分的气室时会被吸收,根据比尔-朗伯特(Beer-Lambert)定律,可得入射光强I0、出射光强I、吸收路径及气体的浓度之间的关系式:

式中:α(v)为气体吸收系数;L为吸收路径的长度;C为气体的浓度。

当光源的中心波长为v0,若以频率ω、振幅vm对光源的出光频率进行调制,那么光源的瞬时波长为:

经过气体吸收之后的光强可以展开为Fourier级数:

式(3)中的An为不同谐波成分的幅值,其表达式如式(4)所示。

式中:θ=ωt 。

一般情况下,αCL≪1。则式(4)可改写为:

式中:α=Sχ(v);S为吸收线强;χ(v)为面积归一化的吸收线型。

从式(5)可以看出,谐波大小与气体的浓度、吸收强度和吸收路径的长度成正比。对于气体来说,其吸收谱线主要有两种展宽,一是由于分子碰撞而造成的均匀加宽,即洛伦兹展宽;二是由于分子热运动而造成的非均匀加宽,即多普勒展宽。然而,在通常情况下多普勒展宽占主要作用,此时吸收的线型可表示为χG。

式中:γD为多普勒展宽线型下的半峰谱宽;T和M分别为开尔文温度和分子量。

把式(6)分别带入式(5),就可以得到与气体浓度相关的二次谐波信号:

undefined

由式(8)可见,二次谐波信号与气体的浓度,气室长度和初始光强有关,检测二次谐波信号就可以获得气体浓度信息。

由于在实际测量时,气室长度一般不会发生变化,而初始光强却可能产生改变,因此笔者将二次谐波信号和输入光强的比值作为气体浓度标定值,这样可以消除光源波动、光纤接入、光纤传输等各种光强变化产生的影响。

2 系统设计

2.1 仪表设计

笔者设计的气体浓度检测仪由两大部分组成:一是仪表部分,主要由DFB激光器、光电探测器和信号处理运算电路组成;二是传感探头部分,主要由光纤、准直器和气室组成。其结构见图1所示。

如图1所示,气体浓度检测仪可以携带多个传感探头,传感探头和仪表之间通过光纤连接,含有浓度信息的光信号通过光纤传输到仪表进行处理。由于传感探头仅由无源器件组成,可以确保传感探头的本安特性和抗电磁干扰能力。分离式设计充分体现了光纤传感的无源和本质安全的特性,且可以实现分布式测量,特别适合于石油化工等易燃易爆的恶劣环境。

2.2 系统设计原理

图2为甲烷光纤气体传感器的系统原理图。

从图2可以看出,笔者设计的系统主要由光源驱动部分、光源温度控制部分、光电转换(PIN)、前置放大部分、传感探头部分、锁相乘法及滤波电路部分以及信号处理部分构成。其中,CPU控制DA产生低频的锯齿波,将模拟电路生成的高频正弦波加载在锯齿波上,以驱动光源发光。光源发光通过光分路器分成4路分别传输经4个气室吸收后,PIN将带有气体浓度信息的光信号转换成电信号,然后通过前置放大和高通滤波电路,滤除低频锯齿波,将带有气体浓度信息的高频正弦输入锁相乘法器,与二倍频的高频信号相乘后,再经低通滤波电路就得到反映气体浓度的二次谐波信号。通过二次谐波信号和光强的比值的变化,获得瓦斯气体标定值,并进行浓度运算、显示等处理,若浓度变化超过设定值,系统就会发出报警信号。

3 实验研究

笔者以煤矿瓦斯检测为例。煤矿井下环境恶劣、含有多种易燃易爆气体,且瓦斯含量丰富易发生瓦斯爆炸和瓦斯突出等灾害。为检验此技术研究的成效,将此新型瓦斯多通道光纤气体传感器安装在煤矿井下,测定不同位置处瓦斯浓度,并通过长期监控运行,考核该装置对矿井恶劣环境(高粉尘、高湿度、冲击、振动、电磁干扰等)的适应性。光纤瓦斯传感检测仪分别被安装在采掘工作面、回风巷道、机电峒室等位置,采用悬挂方式安装,安装位置距地面大约0.5 m,并在同一位置安装传统的瓦斯传感器与之对比。实验结果如图3所示。

如图3所示,两种传感器测量曲线基本一致,由于GJG4传感器对除CH4以外气体不敏感,曲线平滑;催化燃烧式传感器对环境温度及其他可燃性气体有反应,测量曲线有毛刺。而且传感器调校后安装井下,经过长期的井下测试,工作非常稳定,基本没有维护,相比现用的催化燃烧式传感器需要每周调校,大幅度减少了维修人员的工作量。

4 结 论

光纤气体传感技术采用分离式设计,无源传感摇头和有源仪表之间通过光纤连接,含有浓度信息的光信号通过光纤传输到仪表进行处理。首创性地应用于化工、石油、石化、天然气、煤炭及民用燃气等行业,以及储运、隧道交通和其他工业气体浓度监测和报警领域,为安全性和可靠性要求较高的环境恶劣、易燃易爆场所与设施,提供了危害气体报警新技术,能够实现现场非电、远程、长期在线、分布式气体浓度监测预警。在一定条件下,还可以对灭火抢险救援现场进行探测,及时有效地提供气体监测信息,提高消防员的个人防护能力。经过实验研究,该技术相对于传统气体浓度探测技术,具有本质防爆、不受其他气体成分干扰、传输距离远、造价适中、反应速度快、分辨率高、精度高、稳定性好,基本免维护,不受电磁和恶劣环境影响,抗干扰能力强等特点,具有广阔的应用前景。

参考文献

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光纤监测 篇9

一、OTDR卡测试原理

OTDR卡即光时域反射仪, 之所以能够测试光纤状态是利用了光纤传输的两个物理现象:瑞利后向散射和菲涅尔反射。由于构成光纤的二氧化硅的成分不纯净, 使得光纤出现折射率不均匀, 造成光在光纤的传播出现散射, 当一部分光散射到光纤外引起光损耗时, 称为瑞利后向散射。光在均匀介质内传输是沿着直线方向, 但如果在两种介质中传输时, 会在这两种不同介质分界面发生反射与折射现象, 这种反射、折射服从菲涅尔规律, 也称菲涅尔反射。那么在光缆进行测试, 那么菲涅尔反射一定是出现在连接点或故障点。

光时域反射仪连接光纤网, 通过OTDR的测试曲线可以判断光纤传输有无事件发生。OTDR中光源按符合规定要求稳定的光信号发送到被测光纤网中;脉冲发射器是控制光源发送的时间, 控制数据分析和显示电路与光源同步工作, 以得到正确的分析结果;定向耦合器是将光源发出的光耦合到被测光纤, 并将光纤沿线各点反射回的光耦合到光检测器中;光检测器是将被测光纤反射回的光信号转换为点信号;放大器是将光检测器送来的电信号放大整形;数据分析及显示是将反射回的信号与发送脉冲比较, 计算出相关数据, 并配有分析电路, 为曲线分析提供支持。

二、光纤传输网络在线监测系统的设计

光纤传输网络在线监测系统由四种测试架构构成:脱机监测 (off-line testing) 架构;脱机实时告警监测 (off-line realtime testing) 架构;在线监测 (on-line testing) 架构;在线实时告警监测 (on-line real-time testing) 架构。其总体体系结构图如图2所示, 四种结构中前两者监测备用光纤 (dark fiber) , 后两者监测使用中光纤 (active fiber) 。为改善光纤的通信质量及缩短光纤完修时间, 本光缆自动监测系统具有实时告警 (Real Time Alarm) 的功能, 即在光纤产生状况时, 光缆自动监测系统可立即的反应并进行光纤量测, 然后将量测数据以告警的方式通知管理及线路维修人员进行光纤修复作业。

中央监测站TSC (Test System Controller) 是RFTS系统监控的数据汇集及分析中心, 也是整个监控系统的管理中心。TSC中央监控站可管理及监控各个远程光缆监测器 (RTU) 。为方便维护人员操作, TSC亦可提供可携式监测台及机房监控台作为现场监控平台。每一台TSC均可监控RTU所监测的光纤状态、运作情况、指定测试及分析芯线, 并可针对需要进行分析统计、修改系统设定等功能, 此外在管理上亦可因应用户需要作不同的规划。

工作终端机WS (Work Station) 工作终端机安装于各光缆维护作业相关单位, 可经由网络与TSC联机, 接收TSC所传送的数据;并在需要时, 透过TSC下达执行光功率、光特性等测试指令。在RFTS中使用GIS, 可以更容易地增加监控区域地理信息和缆线网络的丰富性, 多样的接口表现和查询功能, 并可更直接、更精确地表现监控的各类讯息。监测机RTU是一种远程光纤监测机, 安装于机房之光缆 (纤) 监测设备, 用以监测光纤之现况。可包含控制模块、光时域反射器模块、光信道选择模块、光源模块、光功率监测模块、光分波多任务模块、光滤波模块、光分歧模块、光路自动切换保护模块等 (依照不同之监测架构选择) 。

三、总结

本文提出了一种基于OTDR卡的光纤传输网络在线监测系统, 能够便捷地检测故障。从OTDR卡实现原理出发, 就光纤传输网络在线监测系统的技术路线, 提出了较为完善的监测系统总体体系结构与监测技术实现, 为于电力系统部门的光纤传输网络在线监测系统的规划与建设具有很好的参考价值。

摘要：本文提出了一种基于OTDR卡的光纤传输网络在线监测系统, 能够便捷地检测故障。所研究结果对于电力系统部门的光纤传输网络在线监测系统的规划与建设具有很好的参考价值。

光纤监测 篇10

关键词： 光纤Bragg光栅； 应变传感器； 桥梁监测

中图分类号： TN 247； TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.004

引言

桥梁安全关系着人们的生命安全和社会经济活动[1]，建成的桥梁结构应具有良好的承载性、耐久性、满足使用寿命。一般重要的大型桥梁结构服役期长达几十年，甚至上百年，在疲劳、腐蚀与材料老化等不利因素的共同作用下，不可避免地产生损伤积累。云南省盆地河谷、山地、丘陵高原相間分布，独特的立体气候类型（气候要素的垂直变化显著），位于亚欧板块与印度板块碰撞带的东缘附近（地震活动频繁和强烈），这些复杂的地形、地貌、地质、水文、气候等条件，决定了云南省的桥梁在使用中出现衬砌开裂、错台、掉块、渗水等病害的几率更高[24]，危及行车安全，严重的甚至被迫关闭交通。因此，对桥梁结构监测，及时发现初期病害，及时预警具有重要意义。

本文把光纤Bragg光栅表面式应变传感器应用于桥梁结构健康监测，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测，掌握桥梁二衬的受力与变形情况，分析处理测量数据，预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，为处置提供关键技术参数。

1光纤Bragg光栅应变传感特性与技术参数

建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到应用[89]。其中，应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。

本次监测的桥梁为云南省具有最大的预应力钢筋混凝土拱桥。由于该桥采用新的设计理念、方法和成桥工艺，且跨度大、施工复杂、交通流量大、超载车辆多和环境气候特殊等原因，必然会造成大桥轻微的结构松散和有少量裂隙。施工中，桥梁的左洞右侧拱部即出现宽度为1～3 mm的不规则裂纹，如图2所示。

通过测量和分析桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后安全畅通。

2.2传感器布设及传感网络结构

（1）传感器布设

为对桥梁左线K6+130～+302（K6为定标桩号，桩号后的正数是离该桩的距离，单位为米）裂缝区域进行长期监测，设计在K6+120～+310的范围内间隔1 m布设一个监测断面，总计20个监测断面，每个监测断面布设7个光纤光栅表面应变传感器和1个温度补偿传感器，如图3所示。

3结论

本文应用光纤Bragg光栅表面式应变传感器，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测分析，以了解桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；通过量测分析预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后运营安全。历经春夏秋冬，跨越雨、旱两季，在近一年时间内对裂缝存在区域的20个监测断面进行监测，监测结果表明，光纤光栅应变传感器的应变量在正常范围内，反映在监测期，桥梁结构稳定无异常变化。

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光纤监测 篇11

管道光纤预警系统是针对通信光缆外界破坏而设计的, 在通信管道光缆上方作为分布式土壤振动检测传感器, 长距离连续实时监测通信管道光缆沿线的土壤振动情况, 利用独有的破坏事件专家数据库和神经网络分析技术, 对可能危害通信管道光缆安全的动土事件或场站设施的入侵事件等进行预警, 并准确定位, 利用通信系统组网, 对通信管道光缆进行长距离无逢实时监测。管道光纤预警系统具有事前预警的能力、定位准、精度高, 可及时发现对通信管道光缆上具有威胁的光缆挖掘、通信破坏和油管道的泄漏等意外事件。

二、管道光纤预警系统介绍

1、系统原理

管道光纤预警系统是利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中的光纤作为分布式传感器, 长距离连续实时监测光缆、油气管道沿线的土壤振动情况, 包括在通信光缆管道附近、施工、人为破坏油气管道、打孔盗油等, 来分析判断可能威胁通信管道光缆安全的破坏事件, 及时报警, 起到安全预警的作用, 并能够这些事件进行精确地分析和定位, 确定事件的性质, 通过GIS显示事件发生地的具体位置和性质。

2、系统组成

管道光纤预警系统由预警单元、预警管理终端和区域监控中心和光纤传感系统组成。预警单元式管道光纤预警系统的基础设备单元, 由光源模块、光电模块、处理模块、监控模块、管理模块、数传模块、通信模块、电源模块等八个主要模块组成, 各模块装备在标准机框内, 整体安装在通信管道场站、阀室等设施的控制室内, 完成传感信号的分析、事件的识别以及将处理数据上传到预警管理终端。

预警管理终端由预警管理终端服务器、操作维护终端、监听终端等主要部分组成, 同时配备短信模块、车载导航系统、GIS地理信息系统、监控大屏幕等辅助管理设备, 接收预警单元运行数据和预警信息, 分析处理后显示告警信息, 并将数据上传到区域监控中心。当警情发生时, 预警管理终端产生声、光现场报警, 在电子GIS电子地图上显示警情位置及事件识别信息, 同时通过短信模块将警情信息发送到相关负责人员手机上。

区域监控中心是预警系统的管理中心, 监控预警区域的安全情况, 由DMC服务器、操作维护终端组成, DMC安装在场站或者运行维护中心内, 可以同步显示预警管理终端的报警信息, 以及实时查询、监听各个预警管理终端及预警单元的工作情况。

三、管道光纤预警系统的特点及技术指标

四、应用实例

大港油田埕港管道工程应用了光纤预警系统。该工程包括49公里输油管道和52公里输气管道, 管道起点为赵东平台, 末点分别为大港原油储运库和天然气处理站。光纤预警系统项目只应用于埕海1-1人工岛至大港原油储运库的油气管道, 长度约为41公里。埕港管道光纤预警系统2011年10月前完成了安装和设备的单机调试, 进行3个多月的系统测试, 待基本稳定后进入试运行阶段。在试运期间光缆多次被挖断, 光纤预警系统均及时、准确地实现了报警。

参考文献

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