綜述
分布式布里淵光纖傳感器用來測(cè)量長距離范圍內(nèi)的應(yīng)變和溫度狀況，是監(jiān)控大型建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)的理想工具。這類傳感器利用光纖通信的巨大經(jīng)濟(jì)規(guī)模，在每公里成本上，提供了其他技術(shù)無可比擬的高精度長范圍監(jiān)控方法。
工作原理
在典型的大型結(jié)構(gòu)監(jiān)控中，使用光纖傳感器系統(tǒng)并不需要對(duì)布里淵傳感器有詳細(xì)的了解。當(dāng)然在選擇布里淵傳感器解決方案時(shí)，對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的基本理解有益于促進(jìn)相關(guān)性能參數(shù)的取舍。
大多數(shù)的布里淵傳感器利用一種稱為受激布里淵散射的現(xiàn)象。
典型的傳感器設(shè)置包括兩臺(tái)激光器（一臺(tái)連續(xù)光，一臺(tái)脈沖光）分別從同一根被測(cè)光纖的兩端輸入。當(dāng)兩臺(tái)激光器的頻率差與光纖的布里淵頻率相同時(shí)，兩個(gè)激光束在光纖內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用并產(chǎn)生聲子。這個(gè)相互作用把布里淵信號(hào)放大到經(jīng)光時(shí)域反射型設(shè)備可以定位檢測(cè)。沿光纖測(cè)量應(yīng)變和溫度時(shí)，需要掃描頻差（拍頻）繪出布里淵頻譜，通過擬合該頻譜以獲得溫度和應(yīng)變信息。
圖1底部的公式說明，光纖上每點(diǎn)的布里淵頻率與該處光纖所感知的外界的溫度和應(yīng)變成線性關(guān)系。對(duì)于色散位移光纖（LEAF），布里淵頻譜上實(shí)際存在著兩個(gè)峰，這樣有利于同時(shí)從一根光纖上獲取溫度和應(yīng)變兩種信息。
布里淵光纖傳感器的成本核算
正如我們以前闡明的，布里淵光纖傳感器在長距離高精度結(jié)構(gòu)監(jiān)控中，提供了其他測(cè)量技術(shù)無可比擬的低成本（每公里）。這直接導(dǎo)致了在關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)監(jiān)控中因使用布里淵傳感器而獲得快速投資回報(bào)機(jī)會(huì)。下圖展示了一個(gè)簡單的節(jié)約成本例子：
在一個(gè)典型的節(jié)約成本估算中，由于自動(dòng)化的監(jiān)控，最重要的因素是減少維護(hù)和檢查成本，減少停工期，減少災(zāi)難性事故的可能性。在很多情況下，停工和故障造成的損失比上述例子中的高出很多。
最近發(fā)生的幾起管道停運(yùn)事件證明了對(duì)適時(shí)監(jiān)控的需求。圖２所作的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)算僅僅是針對(duì)中等規(guī)模區(qū)域性管道分配網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于大型的骨干管道系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)性將更加明顯。由于系統(tǒng)停止運(yùn)行，每天所造成的損失很輕易地就會(huì)超過上千萬。分布式布里淵傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的費(fèi)用可折算成每米１－２美元。只要能有效地避免那怕一次被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障停機(jī)，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了適時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有安裝和運(yùn)行費(fèi)用。而其它大型結(jié)構(gòu)，如電力傳輸，大壩，橋梁等同樣具有因?yàn)?zāi)難性故障或停機(jī)而造成重大損失的風(fēng)險(xiǎn)。
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用于結(jié)構(gòu)監(jiān)控的光纖傳感技術(shù)比較
布里淵光纖傳感器在長距離和大面積上勝人一籌。事實(shí)上, 在任何長于一公里的溫度和應(yīng)變應(yīng)用上，都應(yīng)該考慮布里淵傳感器。另外一個(gè)適用于定點(diǎn)測(cè)量的光纖傳感器是光纖布拉格光柵傳感器。然而，在事前不能預(yù)知結(jié)構(gòu)損壞或者管道泄露位置的結(jié)構(gòu)監(jiān)控中，何處安裝布拉格光柵傳感器或應(yīng)變儀是結(jié)構(gòu)監(jiān)控中必須面對(duì)的問題。布拉格光柵傳感器或應(yīng)變儀的安裝地點(diǎn)不在結(jié)構(gòu)損壞或者管道泄露位置時(shí)，結(jié)構(gòu)監(jiān)控也就無從談起。當(dāng)然在已知特定位置的情況下，布拉格光柵傳感器是優(yōu)秀的測(cè)量儀。而布里淵光纖傳感器適用于更大范圍、更長距離的結(jié)構(gòu)監(jiān)控，并且能夠定位未知的故障點(diǎn)，這是布拉格光柵傳感器所無法勝任的。
有兩種類型的布里淵光纖傳感器。布里淵光時(shí)域反射儀(BOTDR)基于單一脈沖的布里淵反射求解應(yīng)變和溫度。布里淵光時(shí)域分析儀(BOTDA)利用一種更復(fù)雜的稱為受激布里淵反射的現(xiàn)象。
因?yàn)橥ㄟ^兩個(gè)反向傳輸?shù)墓馐鴣碓鰪?qiáng)布里淵散射，BOTDA技術(shù)顯然更為強(qiáng)大有力。由于信號(hào)強(qiáng)度大，應(yīng)變和溫度的測(cè)量更為精確。另外在LEAF光纖中產(chǎn)生的兩個(gè)布里淵峰, 有助于同時(shí)提供溫度和應(yīng)變信息。
BOTDA方法要求更多的光學(xué)部件和雙向光路，造成總的系統(tǒng)成本通常略高 (感應(yīng)光纖必須形成回路或者安裝反射鏡)。然而，因?yàn)檫m度增加的成本帶來了顯著的測(cè)量精度的提高，BODTA還是目前應(yīng)用最為廣泛的實(shí)用系統(tǒng)。
表1提供了常用的光纖應(yīng)力和溫度傳感技術(shù)的比較,以及每種類型的典型性能限度。
使用色散位移LEAF光纖，可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。如同單模光纖(SMF)，LEAF光纖在高速光纖通信中廣泛使用價(jià)格便宜。在結(jié)構(gòu)監(jiān)控項(xiàng)目中，盡早確定光纖類型非常重要。雖然測(cè)試設(shè)備可以在后來改動(dòng)或者升級(jí)，但是如果要求同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)力，安裝正確的光纖類型是最基本的要求。
MYG公司正在與主要的大學(xué)研究機(jī)構(gòu)合作把新技術(shù)帶入市場(chǎng)，通過提高性能和降低成本來拓展布里淵光纖傳感器的市場(chǎng)。如果想知道這些技術(shù)會(huì)給您帶來何種好處，請(qǐng)與我們聯(lián)系。
布里淵光纖傳感器的主要應(yīng)用
布里淵光纖傳感器已經(jīng)有為數(shù)眾多的應(yīng)用。如前所述，運(yùn)用布里淵散射機(jī)理的傳感器系統(tǒng)，在高精度大范圍的應(yīng)用中有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。與其他傳感器技術(shù)不同，布里淵光纖傳感器系統(tǒng)直接利用了安裝在世界各地的數(shù)以百萬計(jì)的通信光纖的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。如下表２所揭示的，布里淵光纖傳感器最廣泛的應(yīng)用，確實(shí)是在大規(guī)模的線性或者空間尺度上。
應(yīng)用案例：
1、廈門海滄大橋荷載監(jiān)測(cè)
- 海滄大橋是從廈門島通往海滄的一座兼具公路和城市橋梁功能的內(nèi)海灣大橋，是亞洲第一、世界第二的三跨連續(xù)全漂浮鋼箱梁懸索橋，代表著20世紀(jì)中國建橋水平最高成就，至今服役時(shí)間近15年。
- 2015年，利用公司產(chǎn)品 “高分辨率分布式光纖溫度應(yīng)變分析儀” 為廈門海滄大橋進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。
- 橋梁監(jiān)測(cè)主要關(guān)注在荷載情況下，其應(yīng)變和溫度分布情況。通過車輛不同位置停放，形成四種不同加載工況。利用鋪設(shè)在鋼箱梁底板正中位置的三根傳感光纖對(duì)不同工況進(jìn)行測(cè)量。
- 測(cè)量結(jié)果可以準(zhǔn)確反映車輛停靠在不同位置時(shí)，橋梁對(duì)應(yīng)位置及橋梁整體發(fā)生的應(yīng)變變化。測(cè)量結(jié)果為橋梁結(jié)構(gòu)健康評(píng)估提供了有力的依據(jù)。
- 2、青藏高原路基沉降監(jiān)測(cè)
由于青藏高原地理環(huán)境特殊、地質(zhì)條件復(fù)雜、氣候多變，穿越大片連續(xù)多年凍土區(qū)的高速公路極易發(fā)生路基變形，因此對(duì)構(gòu)筑物穩(wěn)定性具有更高要求，對(duì)高原高速公路的建設(shè)、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營管理提出了更特殊的要求。目前，凍土工程病害準(zhǔn)確實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)是世界性的難題。公司利用自主研制的“高分辨率分布式光纖溫度應(yīng)變分析儀”，開展高原高速公路狀態(tài)評(píng)價(jià)和災(zāi)害預(yù)警分布光纖檢測(cè)，建立高寒高海拔地區(qū)高速公路全線檢測(cè)數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)評(píng)估和災(zāi)害預(yù)警的實(shí)用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。 3、高精度光纖陀螺環(huán)檢測(cè)
光纖陀螺儀作為一種確定運(yùn)動(dòng)物體方位的儀器，已經(jīng)發(fā)展成為慣性技術(shù)領(lǐng)域具有劃時(shí)代意義的新型儀表。目前它已經(jīng)在航空航天、武器導(dǎo)航、機(jī)器人控制、石油鉆井及雷達(dá)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。作為光纖陀螺儀核心器件的光纖環(huán)，其質(zhì)量直接影響光纖陀螺儀的精度。我公司自行研制的“布里淵分布式多參量測(cè)試技術(shù)”可以在線、分布式檢測(cè)光纖環(huán)各處應(yīng)變、溫度和雙折射分布，有效判斷光纖環(huán)質(zhì)量好壞，有效解決光纖陀螺儀精度提高方面的難題。所提出技術(shù)為光纖環(huán)的繞制、固膠、溫度控制等工藝提供有效指導(dǎo)，極大地促進(jìn)高精度光纖陀螺的發(fā)展。4、鋼筋混凝土梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)
公司利用自主研制的“高分辨率分布式光纖溫度應(yīng)變分析儀”與有關(guān)單位在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了鋼筋混凝土梁荷載情況監(jiān)測(cè)，該項(xiàng)目驗(yàn)證了我公司研制的“溫度應(yīng)變解調(diào)儀”在土木工程檢測(cè)方面進(jìn)行廣泛應(yīng)用的可能，提出我公司產(chǎn)品可以應(yīng)用于橋梁、大壩和隧道等大型結(jié)構(gòu)建筑物健康監(jiān)測(cè)、石油管線漏油、電力線路故障檢測(cè)和火災(zāi)報(bào)警等多領(lǐng)域。