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），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（法國國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，在未來的地質(zhì)處置庫中，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。這將通過對(duì)兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的深入描述來說明：使用溫度分布傳感的堤防漏水檢測(cè)和通過應(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。一種被稱為單模或多模光纖的寬陣列光纖，是在玻璃或塑料中發(fā)展起來的，具有實(shí)心或空心的芯，以非常不同的形狀封裝，以傳送可能可見或不可見的信號(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：定位過程

可以利用各種技術(shù)來開發(fā)光纖內(nèi)的連續(xù)分布式測(cè)量系統(tǒng)。最常見的是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，因此縮寫為ofdr（光頻域反射計(jì)）。具體原則見[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。

無論采用何種技術(shù)，分布式傳感的一個(gè)主要問題是沿光纖測(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，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），因此必須通過參考測(cè)量來增強(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，但可以通過增加器件的面積來保持。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)的過渡過程中遇到的一個(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)試來說過于脆弱，或者電信行業(yè)開發(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)過程的靈感來自于[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（見第5.1節(jié)），如果它們不匹配，則采用內(nèi)部開發(fā)。

（2）在實(shí)驗(yàn)室中開發(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)。控制條件是開發(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)的基于視覺檢查的方法進(jìn)行檢測(cè)。為了提高裝置的安全性，開發(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，edf已經(jīng)開展了多個(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)性是通過在相同條件下連續(xù)測(cè)量的分散性來定義的；誤差是由裝置測(cè)量和pt100測(cè)量之間的差異來定義的。

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，除了檢測(cè)之外，這些數(shù)據(jù)將被用來提供定量信息。為此，計(jì)劃開發(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，這可以通過金屬保護(hù)來解決。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穿過一個(gè)電纜連接坑。這些接入點(diǎn)能夠通過冷卻或加熱電纜來創(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，edf研究了利用光纖拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)來探測(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來說是非常重要的，因?yàn)榈叵聝?chǔ)存庫廊道和未來地質(zhì)儲(chǔ)存庫中的中放射性長(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開始在法國國家項(xiàng)目EOLBUS中開發(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，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^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（見第2.2.3節(jié)）。在過去的三年中，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。

土木工程儀器正在迅速發(fā)展，特別是光纖傳感器經(jīng)過近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)主要問題。提出了各種定位過程的描述。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，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與倫比的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工具。