超长距离分布式光纤传感技术及其工程应用

【摘要】：鉴于工程事故时有发生,重大工程和基础设施的安全性与耐久性问题一直是社会关注的焦点。目前我国正处在大规模的土木工程和基础设施建设高峰期,许多世界注目的重大工程和基础设施已经建成或正在规划建设中,如已经建成的长江三峡工程,正在建设的南水北调工程、渤海海域多座海洋平台和海底管线、苏通大桥和2008奥运会场馆等。研究有效的结构健康监测和诊断技术,监测重大工程的结构安全就显得非常必要。浙江大学承担的国家“863计划”子课题“长距离海底管道分布式光纤传感技术”,拟通过安装超长距离分布式光纤传感系统实时监测海底管道的安全运行,这是对研究新型传感技术的一种有益尝试。基于该课题,本文对分布式光纤传感技术进行了一系列的延伸研究。分布式传感器能够完整获取结构的应变场分布信息,为全面评价结构状态提供了直接依据,它的推广应用对保证重大工程和基础设施的安全具有重要意义。 本文首先分析了B-DOFS的传感机理,建立了布里渊频移与传感光纤应变的关系,然后重点研究了实现B-DOFS试验样机的关键技术,特别是如何实现250km以上的超长传感距离。浙江大学在国内率先研制成功B-DOFS系统,利用波分复用技术,解决了250km超长传感距离问题。根据查新结果,目前国外类似产品的传感距离尚未有超过100km的报道。样机系统的空间分辨率为5米,应变检测范围为-2500με～+2500με,应变分辨率为50με。 然后,利用钢管模拟海底管道进行了一系列试验,验证了B-DOFS样机系统的性能,论证了分布式光纤传感器监测海底管道安全运行的可行性。把传感光纤粘贴在工字钢梁上,试验了不同类型传感光纤的传感性能和B-DOFS系统测量的可重复性。试验结果表明:B-DOFS样机能够较好地检测结构的拉、压应变,性能稳定,可重复性好。 本文系统地研究了光纤传感器的封装和安装因素给测量精度带来的影响。从理论上分析了传感光纤与结构基体的应变传递关系,得出了结构基体与光纤传感器应变传递关系的解析解。研究表明传感光纤保护层厚度、长度和材料性质对FBG传感器的测量精度有一定影响,粘结剂对外贴式光纤传感器有较大影响。只要安装良好,传感光纤保护层和粘结剂对长距离分布式传感器的测量精度没有影响。有限元模拟结果表明,采用微管布设施工方法安装分布式传感光纤,微管对分布式光纤传感器的测量精度没有影响。 由于B-DOFS只能够获取被测结构应变分布的概况信息,但是不能准确测量