【52監測網】第85期 基于分布式光纖應變傳感器技術的山體滑坡在線監測預警方案
 52監測網專家報告分享-第85期 基于分布式光纖應變傳感器技術的山體滑坡在線監測預警方案 繆宏 北京百世通管道科技有限公司總經理 目錄 一、 光纖傳感技術 二、 分布式光纖應變傳感器技術 三、 分布式光纖應變傳感器技術應用案例 四、 山體滑坡監測預警方案 內容簡介 一、 光纖傳感技術 光纖傳感器技術簡介 光纖傳感器（Fiber Optical Sensor）是20世紀70年代中期發展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。 它是光纖和通訊技術迅速發展的產物，它與以電為基礎的傳感器有本質區別。 光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。
光纖是光導纖維的縮寫。光纖損耗小，帶寬大，傳輸速率高，是信息傳輸網絡的主要介質。大量研究發現，光纖折射率隨環境發生微弱變化的同時，會引起光的偏振、相位、強度以及輻射特性等的變化。據此，可以測量溫度、壓力、振動、應變、位移、氣體濃度等物理參數。光纖具有高度靈敏、無源、本安、不受電磁干擾等越性，光纖也是制作傳感器的絕佳材料。
點式光纖傳感器
分布式光纖傳感技術 分布式光纖溫度監測技術 分布式光纖振動監測技術 分布式光纖應變監測技術
光纖傳感技術的主要優點： 無源、本安、抗電磁干擾、傳感光纖集信號采集與傳輸于一身、長距離、大范圍實時在線監測、分區域設置不同闕值、監測實時溫度的同時亦能監測溫度升高的速率和趨勢、適用于易燃、易爆、有毒、高溫、高濕、輻射、強腐蝕、強電場等惡劣環境。 滿足各種特殊應用環境的光纖傳感器 ◇市場對新型光纖傳感器的需求劇增加 隨著光傳感技術的飛速發展和工程需求的領域的不斷擴大，實際應用環境的日益復雜，對光纖傳感器提出了更高的要求。 ◇光纖傳感器的設計理念和通信光纜的區別 普通通信光纜希望借助很多層的保護材料來減小外界環境因素對通信光纖的干擾，而光纖傳感器的設計理念是采用最少的保護層，在保證光纖安全的情況下，外界的干擾對光纖的影響越敏感越好。 ◇百世通對新型特種光纖傳感器的研究成果 百世通科技根據工程實際需求，采用新興的高科技材料，設計開發了諸如耐高溫高壓、非金屬耐電腐蝕、阻燃低煙無鹵、耐酸堿腐蝕、金屬防鼠咬等各種類型的溫度、振動、應變類光纖傳感器，并取得很多專項專利。 分布式光纖傳感技術的核心優勢：現場傳感單元無源、本安！
光纖傳感技術的應用領域
二、分布式光纖應變傳感器技術 分布式光纖應變監測技術原理 BOTDA采用布里淵光時域分析技術，系統連接兩根遠端環接的單模光纖作為分布式傳感器，實現對被監測對象的應變/溫度信號實時采集和分析處理。在BOTDA傳感系統中，配備了一個用于測量分布式應變和溫度的電光調制器。該技術基于受激布里淵散射原理（SBS），利用了光纖中的布里淵散射光頻率變化量（頻移量）與光纖軸向應變或環境溫度之間的線性關系來實現傳感。 當脈沖光在光纖的一端發出，而連續光在光纖另一端發出，泵脈沖產生后向的單模光纖布里淵增益。光纖的布里淵頻移和光纖應變或溫度的變化量成正比。因此，布里淵頻移可以用下面的公式來表示： v(ε,T)= v(0,0)+C1*ε+ C2*T 其中ε為應變，T為溫度，C1和C2分別為應變和溫度系數。
三、分布式光纖應變傳感器技術應用案例 軍用海光纜防錨害監測預警項目
勝利油田海底管道應變監測預警項目 由于海洋環境的特殊性，地震、地質沉降、錨鉤等對海底輸油管道的安全威脅時刻的存在，世界各大海洋石油公司的海上溢油事故觸目驚心。勝利油田海洋采油廠為了加強海底管道泄露事故的實時在線監測，于2012年5～9月份安排勝利油建三公司配合我們（百世通）開展了海底管道的安全監測預警項目。我們在鋼套鋼海管的內層管道外壁敷設了應變、振動監測傳感光纜后，包裹管道保溫材料，組裝外層鋼管。 中國水科院PCCP管道復合碳纖維補強應變檢測項目
南水北調大型PCCP管道復式碳纖維補強應變檢測項目
南水北調大型PCCP管道預應力鋼絲應變檢測項目
四、 山體滑坡監測預警方案 山體滑坡的原因 1、自然因素 地理條件：坡度大于10度、小于45 度、下陡中緩上陡以及上部呈環狀的山體； 土體特質：結構松軟、抵抗風化破壞能力較低、在水的作用下容易發生變化的巖土； 自然災害：地震、降雨、冰雪融化以及河流對斜坡坡腳的沖刷和浸泡； 2、人為因素 工程施工：如開挖坡腳、坡體上堆載、水路蓄泄水等； 增加振動源：修建鐵路、公路、引水工程而打隧洞； 強行爆破：采石、開挖，導致坡體下部失去支撐。 山體滑坡的本質 山體滑坡的本質，是某種或多種誘的存在，導致山體表面風化層和山體穩定層之間的結合力下降，在重力的作用下向下滑落。 山體在發生滑坡前，有一個緩慢的能量積聚過程。由于表層土壤吸收暴雨或者融雪導致的土體含水率超高，會慢慢增加表層土體的重量，打破既有的平衡，降低土體和深層的摩擦力；因為地震、爆破或者大型工機械開挖的振動導致表層土石和深層山體之間的結合力下降，以及因為開山采石、修建大型工程使坡底土石方缺失而對地表層失去支撐而導致的山體滑坡，都有一個緩慢的能量累積到局部小規模滑坡再到大規模滑坡的過程。 所以，山體滑坡是可以監測并實現預警的，只是既有的點式傳感器不適合做大范圍的監測。 典型案例：深圳渣土堆塌方導致西氣東輸往香港輸送天然氣的管道中斷前，和管道伴行的通信光纜中斷，卻因為負責通信的人員沒有深究光纜中斷的原因，錯失了報警的良機。
分布式光纖應變監測系統的優勢 1、分布式連續監測： 分布式光纖傳感器是線性連續傳感器，能夠監測被測山體長度上任何一點應變變化，而傳統的應變片或者光纖光柵傳感器只能做單點測量。 2、現場的傳感單元無源、本安：傳統的電基傳感器需要現場供電，施工困難，傳感器在砂礫區域無法安裝，只能把傳感器安裝在錨桿上，滑坡時錨桿跟著砂石跑了只要錨桿沒有發生大的應變，傳感器測不到滑坡；在結實的巨石上存在同樣的問題，石頭跑了，傳感器卻沒有測到應變。 3、實時在線監測：光纖傳輸速率高，帶寬大，可實現實時在線的數據采集，盡早發現問題，及時提供山體滑坡預警信息。 4、分布式光纖應變監測系統中的光纖傳感器沒有方向性，其他的點式傳感器都有方向性。 5、分布式光纖應變監測系統能夠及早判斷山體發生應變的趨勢和速率，便于及早制定和采取應急預案。 山體滑坡監測預警系統拓撲結構圖
山體滑坡監測預警裝置示意圖 分布式應變傳感光纜選型和安裝要點 1、應變傳感光纜的余長要根據山體滑坡監測預警項目的實際要求設計、定制； 2、應變傳感光纜的選材和結構強度要適合山區環境，具備耐鼠咬、防白蟻等性能； 3、為保證應變傳感光纜的靈敏度，須按照一定的間距埋設鋼管樁固定光纜，光纜須帶張力埋設，且保證各段光纜的張力保持基本一致； 4、光纜敷設過程中需要標注光纜和山體之間的絕對和相對位置，以利于準確顯示報警區域和位置； 5、如果條件允許，監控報警主機盡量就近監測現場；報警主機須配備應急電源； 6、報警信息盡量采取有線和無線兩種方式相互備份，避免山體滑坡導致通信光纜中斷而不能在第一時間把預警、報警信號發送到指定接警終端。
基于分布式光纖應變傳感器技術的山體滑坡在線監測預警方案 繆宏 北京百世通管道科技有限公司總經理 |
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