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分布式光纤传感器监测技术及光纤传感器系列的研究与开发
1、市场及产业关联度分析
工程结构物的损伤识别及早期诊断,是城市与工程减灾对策的最重要内容之一。这一点在大坝等重大工程上尤为明显,这些工程既代表了巨额投资和巨大效益,又同时蕴含着潜在的成灾风险。众所周知,垮坝洪水不仅破坏水库、水电站工程本身,尤其对下游千百万人民生命和财产造成惨重灾难。历史上垮坝的教训很多,美国Teton(提堂)土石坝(高95m)于1976年5月5日溃决,是著名的实例,也是垮坝中的最高坝。该工程主要失误就是未设观测系统,无法及时得到本来可防止这场灾难的信息,等祸到临头,已无法挽救。
大坝安全监测的常规技术已有百年历史,以点式电测传感器为代表,实用经验多,应用范围广,并与现行规范配套,现阶段仍是大坝安全监测的主要设备。然而,常规观测仪器存在若干根本性的缺陷:
①对测点物性有影响:观测仪器本身有相当的体积和刚度,不够小巧。埋设测点的物性会受影响,无法保证检测样本的代表性。
②耐久性较差:仪器及其传输线的损坏失效率较高,且随年代而增加,难以实现整个使用期的监测。
③易受强电磁场干扰:整个水电工程是一个强电磁场,常规监测仪器是电信号,易受干扰,测值误差大。
④信息量有局限:只能实施离散点观测,不能实现分布式检测,获取信息的能力不强,特别是大坝中的裂缝,因为大体积破开裂具有时空随机性,常致漏测,这是裂缝检测的难点所在。前苏联萨扬·舒申斯克重力坝,内部仪器达2500只之多,竟未测到坝体下部在蓄水后产生的486m的大裂缝,直到该缝向深部扩展20余米,引起廊道漏水才发觉,这就是很有说服力的实例。
因此,研究水利水电工程安全监测的高新技术显得非常必要。同时,要真正使大坝安全监测自动化技术向实时在线监控,远程自动化网络方向迈进,新的传感技术是其成败的关键。
近年来,在高科技的渗透和支持下,常规技术正在酝酿更新换代,在各国竞相发展的安全监测高新技术中,光纤传感检测技术以其独特优势而处于中心地位。随着光纤通信的迅猛发展,光纤及仪表降价,经济上也有竞争力。分布式光纤传感技术是传感技术发展中的尖端领域和研究开发热点,与传统的传感器相比,它具有以下优点;集传感与传输于一体,可实现远距离测量与监控;一次测定就可获取整个光上区域的一维分布图;能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息,因此单位信息成本大大降低;测量范围宽,具有高空间分辨率和高精度;在具有强电磁于扰、易燃易爆或强腐蚀以及其它传感器无法接近的严酷环境下,分布式光纤传感器具有无可比拟的优点。
大坝安全监测自诊断系统是利用分布式光纤传感器及其阵列和数据采集设备,全天候、不间断地监测大坝的工作状态、关键部位的温度、应变、裂缝、位移,在计算机硬件和软件系统的控制下,通过对检测和采集的数据进行分析和加工处理,自动地显示大坝运行和局部安全状态,并将检测和分析的结果自动地存入计算机作为大坝运行的历史档案。若遇非常情况;系统可自动报警。这些对大坝损伤积累和安全度下降的过程,保证大坝安全运行都具有重要的实际意义。
我国江河众多,水能资源为全球之冠,水库、水电站工程达8万座以上,举世无双;XX、二滩、小浪底等巨型工程在建设中。这些工程的安全直接关系黄河、长江等大江大河和下游平原几亿人口、许多城市的安危和社会安定。不难预见,安全监测和损伤识别的高新技术,其应用前景将十分广阔,意义十分重要。因此,选准主攻方向.不失时机地发展以光纤传感为基础的智能化损伤识别技术,对提高我国大坝安全监测水平,必将产生重要作用,并为我国的减灾防灾事业作出重大贡献。
这种技术不仅适用于大坝工程,同样可用于桥梁、高速公路、机场、港口、高楼、核电厂等。
2、主要技术指标
①温度监测的分布式光纤传感光缆:温度分辨率1.0-2.0℃;测值范围-20℃-80℃。
②随机裂缝监测的分布式光纤传感器分辨率002mm,初始感知缝宽0.15mm,动态范围4mm,定位精度±0.2m。
③板间缝、周边缝多规格、大量程光纤位移传感器:六种规格(针对水布垭面板堆石坝工程):8mm、18mm、25mm、50mm、100mm、150mm。
④各种坝型的随机裂缝光纤传感网络、施工工艺及流程等。
⑤F-P应变传感器:50000个数据样本,分辨率0.01%,精度0.025,采样速率20Hz。
⑥采用中断站跨站监测,信号传送距离为600km;目前仪器信号传送距离为60km。
3、发展规划
此项目依托工程为XX二期工程、清江高坝洲工程和古洞口面板堆石坝工程,这些工程都在XX附近。XX大学在XX一期工程和古洞口面板堆石坝工程中的前期研究工作为许多专家和单位所关注,该课题的研究成果首先将为水布现在面板堆石坝工程所应用,不仅可解决常规监测仪器无法解决的问题同时将产
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