專(zhuān)利名稱(chēng)：大壩脫空定位檢測(cè)分布式光纖溫度傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水利工程安全防范設(shè)備領(lǐng)域，更進(jìn)一步地，涉及一種用于大壩脫 空定位檢測(cè)的分布式光纖溫度傳感器裝置。
背景技術(shù)：
混凝土面板堆石壩是以堆石體為支撐結(jié)構(gòu)，并在其上游坡面設(shè)置混凝土面板為防 滲結(jié)構(gòu)的一種堆石壩。當(dāng)水的壓力全部作用在混凝土面板上的時(shí)候，以前普遍認(rèn)為， 如果面板與墊層料的變形一致，兩者之間不存在或只存在較小的脫離。但是，近些年 來(lái)發(fā)現(xiàn)，由于面板與墊層之間材料的差異導(dǎo)致形變的不協(xié)調(diào)，容易產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，嚴(yán) 重的可達(dá)到30cm左右脫空。當(dāng)混凝土面板層與墊層之間出現(xiàn)脫空(裂縫)時(shí)，在水的 壓力下，混凝土面板層就可能發(fā)生斷裂，甚至發(fā)生滲漏，進(jìn)而影響大壩的整體安全。 脫空、空洞及壩基結(jié)構(gòu)疏松是大壩的重要隱患，因此，檢測(cè)脫空對(duì)大壩的安全十分重 要。脫空現(xiàn)象主要與混凝土材料的收縮性能有關(guān)，如常見(jiàn)的鋼管混凝土界面因?yàn)榻柚?內(nèi)填混凝土提高了管壁的受壓穩(wěn)定性，增強(qiáng)了鋼管的耐腐蝕性和耐久性，將鋼管和混 凝土有機(jī)的結(jié)合了起來(lái)，但是若鋼管和混凝土界面出現(xiàn)脫空時(shí)，就會(huì)直接破壞混凝土 和管壁結(jié)合的整體性，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)惡化，可能釀成重大事故。針對(duì)上述原因，現(xiàn)有文獻(xiàn)已經(jīng)披露了采用分布式光纖傳感裝置檢測(cè)脫空的方法， 該裝置檢測(cè)脫空的方法主要基于瑞利散射原理的光時(shí)域技術(shù)，即將裝置中的光纖沿被 測(cè)場(chǎng)進(jìn)行排列分布，并采用獨(dú)特的轉(zhuǎn)換機(jī)制，通過(guò)測(cè)量瑞利散射信號(hào)，將光纖與待測(cè) 量脫空的界面成一小角度鋪設(shè)，當(dāng)界面發(fā)生脫空時(shí)，根據(jù)瑞利散射信號(hào)與光纖所受應(yīng) 力之間的關(guān)系，由測(cè)量到的瑞利信號(hào)求解出光纖受的應(yīng)力，從而確定發(fā)生脫空的位 置。然而，采用分布式光纖傳感器裝置進(jìn)行脫空檢測(cè)的關(guān)鍵是在于實(shí)現(xiàn)被測(cè)量(力學(xué) 量)到光學(xué)量(光強(qiáng)或損耗)的轉(zhuǎn)換，對(duì)光纖在被測(cè)對(duì)象上的布置形式要求很高，這樣的 話(huà)，在工況復(fù)雜或者較為惡劣的工程項(xiàng)目中，上述裝置的光纖布置要求會(huì)加大施工難 度，并且給維修帶來(lái)不便，從而增加工程成本。因此，還有待于進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有的脫 空檢測(cè)裝置，以便于能夠?qū)⑵涓鼮閺V泛的應(yīng)用到各類(lèi)相關(guān)的工程領(lǐng)域中。發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種布置簡(jiǎn)單、 方便施工的用于大壩脫空定位檢測(cè)的分布式光纖溫度傳感器裝置。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該大壩脫空定位監(jiān)測(cè)分布式 光纖溫度傳感器裝置，包括由雙向耦合器、波分復(fù)用器、雪崩二極管、主放大器、采 樣平均累加器、激光器驅(qū)動(dòng)器、激光二極管組件、傳感光纜和用來(lái)控制上述各器件的 計(jì)算機(jī)組成，其特征在于所述的傳感光纜是加熱傳感光纜，所述雙向耦合器的一端連 接傳感光纜，另一端與波分復(fù)用器連接，波分復(fù)用器經(jīng)雪崩二極管與主放大器連接， 主放大器又與采樣平均累加器連接，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)激光二級(jí)管組件接回雙向耦合器。為了能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到脫空部位處的溫度變化，所述的加熱傳感光纜芯部是光纖， 光纖的外層是金屬中心保護(hù)套管，金屬中心保護(hù)套管的外層依次為防水絕緣層、芳綸 纖維以及外保護(hù)層，在芳綸纖維的載體中還有至少兩條絕緣加熱導(dǎo)電體構(gòu)成的電流回 路。為了減少監(jiān)測(cè)裝置的鋪設(shè)成本，所述的加熱傳感光纜鋪設(shè)在大壩的混凝土面板與 墊層之間，并且以S型緊貼墊層而盤(pán)繞鋪設(shè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于由于根據(jù)瑞利散射信號(hào)與光纖所受應(yīng) 力之間的關(guān)系來(lái)檢測(cè)脫空的方法，系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中除所受應(yīng)力影響外，還受其它諸 多因素的影響，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度。本分布式溫度傳感裝置通過(guò)檢測(cè)溫度 變化來(lái)確定脫空的位置，在測(cè)量溫度的同時(shí)還測(cè)量了瑞利信號(hào)和反斯托克斯信號(hào)，消 除了周?chē)h(huán)境對(duì)測(cè)量造成的影響，可以更加準(zhǔn)確的定位脫空的位置，而且該裝置對(duì)于 光纜的鋪設(shè)要求比以前的檢測(cè)裝置要低，降低了鋪設(shè)光纜施工成本，擴(kuò)大了裝置的使 用范圍。


圖l為本實(shí)用新型實(shí)施例的系統(tǒng)原理圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的光纜具體鋪設(shè)方式。 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的光纜溫度分布曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖1所示為大壩脫空定位檢測(cè)分布式光纖溫度傳感器(DTS)裝置，它是由雙向耦 合器l、波分復(fù)用器2、雪崩二極管3、主放大器4、采樣平均累加器5、激光器驅(qū)動(dòng)器 6、激光二極管組件7、傳感光纜8和監(jiān)控計(jì)算機(jī)9組成，所述的傳感光纜8為加熱傳感光 纜8'，光纜的芯部帶光纖，光纖的外層是金屬中心保護(hù)套管，金屬中心保護(hù)套管的外 層依次為防水絕緣層、芳綸纖維以及外保護(hù)層，在芳綸纖維的載體中還有兩條絕緣加
熱導(dǎo)電體構(gòu)成的電流回路。而所述的雙向耦合器1的一端連接傳感光纜8，另一端與波分復(fù)用器2連接，波分復(fù)用器2經(jīng)雪崩二極管3與主放大器4連接，主放大器4又與采樣平 均累加器5連接，激光器驅(qū)動(dòng)器6經(jīng)激光二級(jí)管組件7接回雙向耦合器1。分布式光纖溫度傳感器的測(cè)量原理是基于光纖的光時(shí)域反射原理和背向喇曼散射 溫度效應(yīng)。脈沖激光耦合進(jìn)光纖里會(huì)與光纖中的分子相互作用， 一些光子被反射回 來(lái)，它們攜帶著分子的熱運(yùn)動(dòng)信息，反射光的光譜帶有光纖的溫度信息。因?yàn)楣馑偈?已知的，所以可以根據(jù)激光脈沖在光纖中的傳播時(shí)間對(duì)光譜進(jìn)行分析，以極短時(shí)間間 隔對(duì)整條光纖掃描，就可以確定溫度沿光纖的分布情況。實(shí)際工作時(shí)，激光器發(fā)出的 光耦合進(jìn)入光纖，由雙向耦合器分離出后向散射的拉曼光，雪崩光電二極管將拉曼散 射光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電流，再經(jīng)主放大器放大，采樣平均和累加器采集，最后由監(jiān)控軟 件對(duì)采集得到的電信號(hào)解調(diào)計(jì)算出溫度值。我們現(xiàn)在使用DTS系統(tǒng)，并利用測(cè)量溫度的方法來(lái)進(jìn)行水庫(kù)大壩的脫空探測(cè)。如 圖2所示，將帶加熱銅絲的加熱傳感光纜8'沿S蛇形鋪設(shè)在混凝土面板層與墊層之間， 使得加熱傳感光纜8'與大壩I充分接觸，并且增加了測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度。鋪設(shè)時(shí)記錄 下光纜標(biāo)記，將光纜長(zhǎng)度標(biāo)記與實(shí)際位置一一對(duì)應(yīng)。接著，對(duì)加熱銅絲加一定的電 壓，導(dǎo)通電流會(huì)使銅絲溫度升高，從而引起光纜溫度升高5。C，由于水的比熱和混凝土 的比熱不同，發(fā)生脫空和沒(méi)發(fā)生脫空處的溫度也不同，光纜放置在空氣中的溫升會(huì)比 放置在混凝土中高2X:。當(dāng)混凝土面板層與墊層局部地區(qū)出現(xiàn)5mm的脫空時(shí)，該區(qū)域的 溫升要比其他區(qū)域的溫升高l攝氏度，通過(guò)檢測(cè)光纜每一點(diǎn)的溫度，就可以判斷在混凝 土面板層與墊層之間是否有脫空現(xiàn)象。圖3所示為利用DTS系統(tǒng)對(duì)大壩脫空檢測(cè)的實(shí)際光纜溫度分布曲線(xiàn)圖，可以看到， 除在210m附近處的溫度測(cè)量值為21.3'C外，整條光纜上的其他處溫度測(cè)量值在19.6'C 土O.rC范圍內(nèi)，可以推斷出在210m附近處可能出現(xiàn)脫空，根據(jù)光纜長(zhǎng)度與實(shí)際位置的 一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，找出210m光纜所在的實(shí)際位置，發(fā)現(xiàn)該處發(fā)生8 9mm的脫空。
權(quán)利要求1、大壩脫空定位檢測(cè)分布式光纖溫度傳感器裝置，包括由雙向耦合器(1)、波分復(fù)用器(2)、雪崩二極管(3)、主放大器(4)、采樣平均累加器(5)、激光器驅(qū)動(dòng)器(6)、激光二極管組件(7)、傳感光纜(8)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)(9)組成，其特征在于所述的傳感光纜(8)是加熱傳感光纜(8′)，所述雙向耦合器(1)的一端連接傳感光纜(8)，另一端與波分復(fù)用器(2)連接，波分復(fù)用器(2)經(jīng)雪崩二極管(3)與主放大器(4)連接，主放大器(4)又與采樣平均累加器(5)連接，激光器驅(qū)動(dòng)器(6)經(jīng)激光二級(jí)管組件(7)接回雙向耦合器(1)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分布式光纖溫度傳感器裝置，其特征在于所述的加熱傳 感光纜(8')芯部是光纖，光纖的外層是金屬中心保護(hù)套管，金屬中心保護(hù)套管的外層依 次為防水絕緣層、芳綸纖維以及外保護(hù)層，在芳綸纖維的載體中還有至少兩條絕緣加 熱導(dǎo)電體構(gòu)成的電流回路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分布式光纖溫度傳感器裝置，其特征在于所述的加熱傳 感光纜(8')鋪設(shè)在大壩(I)的混凝土面板與墊層之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式光纖溫度傳感器裝置，其特征在于所述的加熱傳 感光纜(8')以S蛇型緊貼墊層而盤(pán)繞鋪設(shè)。
專(zhuān)利摘要大壩脫空定位檢測(cè)分布式光纖溫度傳感器裝置，包括由雙向耦合器、波分復(fù)用器、雪崩二極管、主放大器、采樣平均累加器、激光器驅(qū)動(dòng)器、激光二極管組件、傳感光纜和監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成，其特征在于所述的傳感光纜是加熱傳感光纜，所述雙向耦合器的一端連接傳感光纜，另一端與波分復(fù)用器連接，波分復(fù)用器經(jīng)雪崩二極管與主放大器連接，主放大器又與采樣平均累加器連接，激光器驅(qū)動(dòng)器經(jīng)激光二級(jí)管組件接回雙向耦合器。本實(shí)用新型相對(duì)以前的方法，對(duì)于光纜的鋪設(shè)要求比以前的檢測(cè)裝置要低，降低了鋪設(shè)光纜施工成本，并且在測(cè)量溫度的同時(shí)測(cè)量了瑞利信號(hào)和反斯托克斯信號(hào)，消除了周?chē)h(huán)境對(duì)測(cè)量造成的影響，使得脫空定位檢測(cè)更為直接和準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01K11/32GK201034748SQ20072010688
公開(kāi)日2008年3月12日 申請(qǐng)日期2007年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月6日
發(fā)明者楊如祥, 飛 趙, 展 魯 申請(qǐng)人:秦一濤