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| 分布式光纤传感测温系统 |
作者： 管理员 加入时间： 2009-8-21 浏览次数：304
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岳 鹏 李 磊
【摘 要】 本文较为系统介绍了分布式光纤传感测温系统在南水北调丹江口水库大坝右岸加高工程温度监测中的应用情况；通过采取各种措施降低了光纤测温网络在安装埋设时的风险，保证了光纤测温系统的顺利实施。国产光纤测温系统应用于大体积混凝土施工中，增加了对混凝土内部温度认识的途径，同时指出了分布式光纤传感测温系统在实际使用过程中存在的问题。
1 丹江口大坝加高工程概况
丹江口大坝加高是南水北调中线水源工程的重要组成项目之一，位于湖北省丹江口市，汉江干流与支流丹江的汇合处下游约800m，控制流域面积95200km2。丹江口水利枢纽由两岸土石坝、混凝土坝、升船机、电站等建筑物组成，初期工程于1973年建成，正常蓄水位157m，坝顶高程162m。河床坝段高程100m以下坝体已按大坝加高后正常蓄水位170m建成。丹江口水利枢纽大坝加高工程为Ⅰ等工程。大坝、电站及其引水建筑物和通航建筑物的挡水部分等主要建筑物均为1级建筑物。升船机通航等级为五级，其主要建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。
大坝加高后水库正常蓄水位170m，校核洪水位174.35m，总库容339.1亿m3。大坝加高后水库主要任务是防洪、供水、发电和航运。供水主要任务是为向华北跨流域供水和本流域灌溉用水提供水源。电站装机900MW，通航建筑物可通过300t级驳船。大坝加高前、后水库主要特征指标见表1。
表1 丹江口水库主要特征指标表
名 称 单位 初期工程 大坝加高工程
坝顶高程 m 162 176.6
正常蓄水位 m 157 170
相应库容 亿m3 174.5 290.5
死水位 m 140 150
相应库容 亿m3 76.5 126.9
极限消落水位 m 139 145
2 光纤测温系统的原理与组成
丹江口大坝右岸砼坝加高工程是在原来坝体的基础上进行的加高加宽工程，原坝体已建成多年，混凝土坝体温度稳定并具有较高的弹模。在坝体加高施工中，由于施工工期紧，混凝土浇筑强度高（最高月浇筑达30000 m3左右），浇筑过程中混凝土会产生大量的水化热，当混凝土内部温差超过一定限度时，内部温度应力将导致混凝土裂缝的产生。因此，混凝土温度控制成为决定混凝土施工质量的重要因素。
通过内部埋设测温装置及时了解混凝土温度变化情况，用于指导混凝土的温度控制，预防温度裂缝的产生。丹江口大坝右岸砼坝加高工程，在传统的埋设电阻温度计的基础上，增设了光纤传感器测温系统，它与传统的测温技术相比，具有不受电信号干扰，获取的信息量大的特点，进一步提高了监测数据的准确性与时效性。
2.1 光纤温度传感器测温原理
光纤光栅就是一段光纤，其纤芯具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论，λb＝2nΛ的波长就是被光纤光栅所反射回去（其中λb为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n为纤芯的有效折射率）。
反射的中心波长信号λb，跟光栅周期Λ，跟纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度，应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说光纤光栅的反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为：
式中:Δλb为应力和温度变化引起的反射波长的改变；Δε为应变的变化；ΔT为温度的变化量；ρα为光纤的光弹系数；ξ为光纤的热光系数。
当Δε=0时,则Δλb=λb(1+ξ)ΔT,即反射光波长的变化量与温度的变化量成正比,故对光纤光栅传感器进行温度标定,即可测量绝对温度。标定方法如下:在恒温箱中T1℃时,测量光栅波长λ1,在T2℃时,测量光栅波长λ2,由于波长和温度呈线性变化,得斜率K:
K=Δλ／ΔT=λ2-λ1／T2-T1
若测量时波长为λ′,则此时传感器测点处的温度应为:
T′=λ′-λ／K+T1
2.2 光纤测温系统的组成
光纤测温传感网络系统由光纤光栅温度计，铠装光缆，接续盒，终端盒，铠装跳线，
网络分析仪，笔记本电脑等组成。光纤测温系统的组成见图1。
图1 光纤测温系统的组成
2.3 光纤测温系统设备
2.3.1 光纤光栅网络分析仪
TS125是光纤光栅的解调仪。每秒可同时对一个通道内的20个温度传感器进行扫描采样。每个通道可连接20个以上的传感器，TS125基于高端传感器查询系统所采用的光纤F-P可调滤波技术，具备TCP/IP、USB接口使数据处理及收集更加得心应手。利用LabView图形用户接口，可随意选择波长、温度、位移等显示选项。TS125技术指标如下表2。
2.3.2 光纤光栅温度传感器FBG
FBG 光纤温度传感器用于对被测物进行长期的温度监测，具有分布式测量点多、测温精度高、测温范围大、不受 电磁干扰、耐腐蚀等优点。技术指标如下表3。
2.3.3 光纤接续盒及终端盒
接续盒为双进双出结构，将每层单模光纤和上引的主光缆连接，即每一施工层面的光纤温度计和单模铠装光缆的头尾通过接续盒的双进口，在接续盒内将单模光缆和主光缆连接，接续盒出口用二根主光缆向上牵引，主光缆尾端连接终端盒，终端盒出口连接铠装跳线，起到将该层光纤温度传感器和网络分析仪连接的作用。
表2 光纤光栅网络分析仪技术参数
光学指标 电器特性
通道数 8 可扩展至64 电源 220Vac
每通道最大 FBG 传感器数量 >20 接口 TCP/IP，RS232 或 USB
波长范围 1525~1565nm
绝对精度 ± 5pm
动态范围 >60dB 机械特性
分辨率 1pm 尺寸 60*30*30cm
典型 FBG 间隔 0.5nm 工作温度 -10~ 60 ℃
扫描频率 2Hz/通道 存储温度 -10~ 70 ℃
光学接头 FC/PC
表3 FBG 温度传感器技术参数
指 标 参 数
FBG 中心波长 1525nm ～ 1565nm
光栅反射率 ≥85 ％
分辨率 0.1 ℃
测量精度 ± 0.5 ℃
量程 -30 ～ + 80 ℃ 或 120 ℃ 或 200 ℃
外形尺寸 Φ 7mm × 55mm （可定制其他尺寸）
引线类型 左右各 0.5m ，（可定制其他尺寸）
3mm 普通室内跳线，铠装光缆
封装结构 专业的防腐蚀、防潮设计
3 光纤温度测温系统的设计及布置
在丹江口大坝右岸加高工程中，右1#坝段是实施温度控制的主要的监测坝段。选择了在右1#坝段大体积常态混凝土中，安装和埋设分布式光纤测温系统的，实现了对大体积混凝土浇筑过程中的温度场的实时监测。
为了加强施工期对混凝土的内部温度的监测，结合坝体的结构和混凝土的浇筑高度，光纤温度计沿混凝土浇筑层布置，共布置11层共70支，其中▽143.00 m 以下按浇筑层高每层布置6支；▽143.00m 以上2层每层布置8支。
在各浇筑层升高过程中，由于贴坡混凝土浇筑结构尺寸的改变，温度传感器的布设位置会有一些改变，但原则上尽可能的反映坝体温度场的变化，具体为；依次按由上游向下游顺序（3m，6m，5m），（3m，5m，4m），（2m，3m，4m）布置，呈“U”形分布，见图2，图3。
4 光纤传感测温传感网络系统的安装敷设
4.1 光纤传感测温传感融接和检查
（1）按施工图纸计算布置每层光纤网络所需单模光缆的长度，然后将每层6支光纤温度传感器和每层光纤测温传感网络所需的单模光缆用光纤熔接机融接起来。下线时要充分考虑到仪器本身光缆长度和富余长度，避免下料过程中光缆被骨料冲断。
（2）将连接温度计的单模光缆的头尾通过终端盒和4芯铠装光缆（2芯备用）连接，用4芯铠装光缆通过终端盒向上引出两个观测端，即A端、B端（设置2个端头可最大限度整个监测系统的正常，即使一端施工期间损坏，另一端也可确保正个监测系统的正常工作），每端的4芯光缆端部再连接一个接续盒，施工期的温度监测数据的采集通过将光纤网络分析仪与A端，B端的接续盒的跳线连接，然后用装有采集软件的笔记本电脑进行数据的采集整理保存工作，可自行控制单位时间的信息采集数量，若在A端，B端连接GPRS无线通讯模块，通过以太网络，可实现远程无人值守监测，最大限度的提高混凝土内部温度的监测信息的数据采集量。
（3）光纤传感器的连接方式则和传统仪器的连接有很大不同，为了区分每层光纤温度传感器的A端和B端，提高观测数据采集效率，在每一层光纤温度传感器焊接的时候，我们将传感器按波长的长短依次排列之后进行融接，见表4。
表4 光纤温度传感器安装一览表
序号 传感器编号 原始波长/nm 温度系数/pm/ºC 设计编号 安装时间
1 27-8 1526.718 9.91 TG01Y1 06.5.11
2 31-1 1530.755 9.86 TG02Y1
3 34-7 1533.769 9.92 TG03Y1
4 36-9 1535.764 9.95 TG04Y1
5 38-17 1537.727 9.96 TG05Y1
6 42-18 1541.751 10 TG06Y1
（4）融接完成后检测光谱图，检测波长及功率值，监测焊接前后光能量损耗，光纤焊接能量的损耗直接影响到焊接质量，焊接的质量将直接影响到光纤的使用寿命，技术要求规定光路往返总损耗应小于3dB，而在现场的融接中我们则将光路往返总损耗控制在1dB以下。由图4可以很直观看出传感器的中心波长，顺序，焊接前后光能量损耗及观测端口，见图4。
图4 第一层光谱图
4.2 光纤测温系统的安装敷设
光纤传感测温传感网络系统应用于水电工程，埋设技术与工艺是成败的关键因素。在具体的混凝土浇筑过程中，由于施工干扰较大，而整个测温传感网络较长，暴露于施工仓面，要顺利安装埋设并不容易。往往实际的施工条件与设计、仪器设备的准备等都有一定的差异，因此要求施工、设计、监理、业主要及时沟通调整和优化方案。
（1）光纤仪器的安装宜选择在监理验仓前，清仓冲水后的时间段进行，此时仓面干净，人员较少便于操作。若遇到光缆损坏或者连接不通需要熔接时，一般选择在现场交接班时间，这样可将仓号内施工的干扰降到最小。
（2）光纤温度计的连接采用单芯单模铠装光缆，连接强度较低，若直接布置在施工仓面，会在混凝土下料或者振捣过程中损坏。同时单模铠装光缆的抗剪切变形能力低，若由于施工仓面坑洼等其它原因，光缆受到剪切变形，也会影响到中心波长的传递，为此在光纤温度计及单模光缆外面套上蛇型金属软管，以避免监测网络系统有可能受到的混凝土振捣和剪切变形的损坏。
具体为先将温度传感器按每六个一组进行串联熔接，接点用双层热缩管保护，将串好的传感器及光缆外用不锈钢金属软管加以保护。
（3）在已经准备好的浇筑仓号内测量放点，用红油漆标出传感器所在位置，将串联好的光纤传感器和金属软管按已确定的位置摆放出来，金属软管放置于仓号冷却水管下面，为了防止骨料对整个网络造成的冲击，用水泥线夹对每层金属软管进行固定。
（4）在整个光纤测温网络安装布置完成后，要不间断持续观测整个网络的完好情况，如有焊点断开等情况应重新焊接。待整个监测网络安装布置完成后，用网络分析仪监测整个网络的情况，并现场专人值守看护，发现问题及时处理。
4.3 光纤测温系统存在的问题
（1）光纤测温系统组成相对复杂，每层传感器融接接头较多，混凝土在浇筑振捣中，极易造成光纤仪器接头的断裂，给施工安装带来了很大的不便，需要提高光纤仪器的焊点的焊接强度。
（2）由于工地施工环境复杂，而光纤温度计的融接对现场空气、湿度、洁净度等环境要求很高，因此尽可能地优化整个测温网络，以提高系统可靠性和减少施工现场的操作工作量。
（3）由于铠装光缆不允许出现碰撞、跌落和小角度弯曲的情况，并且一旦光缆损坏，修复也很困难，会直接影响到观测数据的测读甚至出现读数错误的现象等，给施工带来很多不便。
5 光纤测温结果
5.1 温度监测成果
选取坝下0+2m的TG01Y1和TG04Y1，坝中0+5m的TG02Y1和TG05Y1，坝下0+10m的TG03Y1和TG06Y1共6支温度计进行对比，发现TG01Y1和TG04Y1 温度测点距老砼面较近，老坝体吸附了一部分水化热量，TG01Y1和TG04Y1温度相对较低，温度变化范围在23℃～24℃在之间；TG02Y1和TG05Y1则处于坝体中间部位，受外界环境因素影响较低 温度变化范围在25℃～26℃在之间，TG03Y1和TG06Y1位于坝体下游面，利于散热，一般温度变化范围在27℃～28℃之间，但受周边及外界环境影响因素较大。温度变化均在设计允许变化范围以内。
图5 第一层光纤温度计温度曲线（X—小时）
温度监测数据的采集,采用不连续性的数据采集，比如以图5、图6为例，分析如下：第一层温度曲线图形（图5），由于施工布线时恰逢下雨，且为夜间施工，仪器埋设初期总体温度较低，而以后的混凝土曲线过程表明温度逐渐升高的变化。
图6 第二层光纤温度计温度曲线（X—小时）
第二层温度曲线图形（图6）因施工为白天，施工时空气温度较高，而温控混凝土的温度较低，且编号4、5、6的温度计埋设较1、2、3号晚6小时左右，观测出的温度具有明显的滞后性，所以浇筑前后有个温度下降的过程，然后从第40小时开始温度逐渐呈上升趋势。
根据混凝土的内部温度控制要求，定期观测准确及时的掌握到砼内部温度，及时采取措施，防止最高温度的产生，达到了指导施工的目的。
采用新的采集设备提高了数据观测和计算的速度，70支仪器的观测时间最长不超过20分钟，每层6支传感器的观测不超过2分钟。整个过程使用备用电源、笔记本电脑、网络分析仪操作，即可于第一现场准确及时了解到砼的内部温度。图表5为第一层观测数据成果表，每一层观测数据一目了然。
表5 第一层光纤温度观测成果表
设计编号 当前波长/nm 温度系数/pm/ºC 当前温度/ºC
TG01Y1 1526.899 9.91 18.20
TG02Y1 1530.971 9.86 21.90
TG03Y1 1533.970 9.92 20.30
TG04Y1 1535.959 9.95 19.60
TG05Y1 1537.950 9.96 22.40
TG06Y1 1541.952 10.00 20.10
5.2 温度测值对比
为了检验已埋设光纤温度计所测数据的精度和可靠性，我们选取右1坝段的光纤温度计和同部位的电阻式温度计，将同时期观测资料进行比较，表明两者温度观测值接近，且温度变化的趋势是一致的。光纤温度计的温度测值保证了三位有效数字，提高了温度监测的精度见图7。
图7 电阻式温度计相同时间温度观测曲线
6 结语
（1）为了提高混凝土内部温度的监测的精度和时效性，在丹江口大坝加高工程中应用了混凝土光纤测温系统，通过采取各种措施降低了光纤测温网络在安装埋设时的风险，保证了光纤测温系统的顺利实施。
（2）在大体积混凝土施工过程中，对温度监测和控制是人们最关心的问题，分布式光纤测温传感网络的应用，增加了对混凝土内部温度认识的途径，优选的光纤分布式温度测量系统快捷、准确地检测到了坝体混凝土结构内部温度变化。
（3）监测结果表明分布式光纤测温传感网络系统与传统的温度监测相比较，其测值变化趋势一致，监测资料符合客观实际，成果可靠。目前丹江口大坝70.支光纤光栅温度计已经全部安装完毕，观测数据的采集工作正常进行。
（4）国产光纤测温系统应用于大体积混凝土施工中，还存在着光缆保护和提高光纤焊点强度；改善光缆的工作条件，提高仪器的准确度等问题；同时由于混凝土施工仓号的环境复杂，而每层光纤传感网络的布设还相对复杂，应进一步从实用化角度出发，对这些问题着加以解决。
参考文献：
（1）《分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场试验研究》作者 蔡德所 戴会超 蔡顺德 何薪基〔水利学报2003年5月第5期〕
（2）《丹江口大坝光纤光缆温度传感器施工技术要求》
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