Tecnología de detección de fibra óptica distribuida y su aplicación en monitoreo de ingeniería
Wen Binqi Jun, Instituto de Spencer Dingyong
(Centro de monitoreo de ingeniería de sensores optoelectrónicos de la Universidad de Nanjing, Nanjing, Jiangsu, 210093)
Tecnologías de detección de fibra óptica distribuida, como la reflectometría en el dominio del tiempo de dispersión Brillouin (BOTDR), son tecnologías de vanguardia desarrolladas en los últimos años y ampliamente utilizadas en todo el mundo. Este artículo presenta principalmente la aplicación de la tecnología de detección de fibra óptica distribuida BOTDR en túneles, fosos y pavimentos. Una gran cantidad de datos de monitoreo acumulados durante el proceso de monitoreo de ingeniería muestran que la tecnología de detección de fibra óptica distribuida BOTDR es un método de monitoreo nuevo y confiable. Su aplicación en la práctica de ingeniería proporciona nuevas ideas para el monitoreo de ingeniería, por lo que tendrá amplias perspectivas de desarrollo.
Detección de fibra óptica BOTDR; monitoreo de ingeniería; tensión
1 Introducción
Con la creciente demanda de seguridad en ingeniería, en los últimos años se han desarrollado muchas nuevas tecnologías de detección y monitoreo. han sido desarrollados. No mejoran simplemente las tecnologías tradicionales de detección y monitoreo, sino que cambian fundamentalmente los principios de detección, proporcionando así nuevos métodos e ideas de monitoreo. Entre ellos, la tecnología de detección de fibra óptica distribuida BOTDR ha atraído la atención mundial. Utiliza fibras ópticas de comunicación ordinarias y se implanta en edificios de forma similar a un sistema nervioso para obtener información completa sobre tensión y temperatura. Esta tecnología se ha convertido en un tema de investigación y desarrollo en países desarrollados como Japón, Canadá, Suiza, Francia y Estados Unidos. Esta tecnología aún se encuentra en etapa de desarrollo en China. Se ha utilizado con éxito en el seguimiento de algunos proyectos de túneles y se está extendiendo gradualmente a otros campos de la ingeniería.
Con el apoyo del Proyecto 985 de la Universidad de Nanjing y los proyectos clave del Ministerio de Educación, el Centro de Monitoreo de Ingeniería de Sensores Optoelectrónicos de la Universidad de Nanjing construyó el primer laboratorio de monitoreo de tensión de fibra óptica distribuido BOTDR de ingeniería básica a gran escala del país y llevó a cabo Una serie de investigaciones experimentales y la aplicación exitosa de esta tecnología en el monitoreo real de túneles subterráneos y otros proyectos han logrado una serie de resultados importantes, sentando las bases para que la tecnología se utilice ampliamente en el monitoreo de calidad y diagnóstico de salud de diversos proyectos a gran escala. proyectos de cimentaciones y proyectos geológicos en mi país una base sólida.
2 Principio de la tecnología de detección de fibra óptica distribuida BOTDR
La dispersión de Brillouin se ve afectada por la tensión y la temperatura al mismo tiempo. Cuando la temperatura a lo largo de la fibra cambia o hay tensión axial, la frecuencia de la luz Brillouin retrodispersada en la fibra variará, y la deriva de frecuencia tiene una buena relación lineal con la tensión y los cambios de temperatura de la fibra. Por lo tanto, midiendo la deriva de frecuencia (vB) de la luz natural Brillouin retrodispersada en la fibra, se puede obtener información sobre la distribución de la temperatura y la tensión a lo largo de la fibra. El principio de medición de deformación de BOTDR se muestra en la Figura 1.
Para obtener la distribución de deformaciones a lo largo de la fibra óptica, BOTDR necesita obtener el espectro de dispersión Brillouin a lo largo de la fibra óptica, es decir, obtener la distribución vB a lo largo de la fibra óptica. El principio de medición de BOTDR es muy similar al OTDR (Reflector óptico en el dominio del tiempo). La luz pulsada incide desde un extremo de la fibra a una frecuencia determinada. La luz pulsada incidente interactúa con los fonones acústicos de la fibra para producir dispersión Brillouin, en la que la luz Brillouin retrodispersada regresa a la luz pulsada a lo largo del camino original de la fibra. .el final del incidente. Después de una serie de procesamiento de señales complejo, después de ingresar a la parte receptora de luz y la unidad de procesamiento de señales de BOT-DR, se puede obtener la distribución de energía de la retrodispersión de Brillouin a lo largo de la fibra óptica, como se muestra en (b) en la Figura 1. La distancia z desde la posición de dispersión hasta el extremo incidente de la luz pulsada, es decir, el BOTDR, se puede calcular utilizando la fórmula (1). Luego, de acuerdo con el método anterior, cambiando la frecuencia de la luz incidente a ciertos intervalos y repitiendo la medición, se puede obtener el espectro de la luz dispersada Brillouin en cada punto de muestreo de la fibra óptica.
Figura 1 Diagrama esquemático de la medición de deformación BOTDR
Como se muestra en la Figura 1 (c), teóricamente, el espectro de retrodispersión de Brillouin tiene una forma de Lorentz y su potencia máxima corresponde a la frecuencia. es el cambio de frecuencia de Brillouin vB. Si la fibra se estira axialmente, el cambio de frecuencia de Brillouin de la fibra estirada cambiará y la deformación se puede obtener a través de la relación lineal entre el cambio en el cambio de frecuencia y la deformación de la fibra. Entre ellos: c - la velocidad de la luz en el vacío;
Procedimientos de métodos tecnológicos de monitoreo y investigación de peligros geológicos
n-el índice de refracción de la fibra óptica;
t se refiere a la emisión El intervalo de tiempo entre la luz pulsante y la recepción de luz dispersa.
En la actualidad, el equipo de monitoreo BOTDR más avanzado del mundo está representado por el analizador de tensión de fibra óptica BOTDR AQ8603 de última generación desarrollado recientemente por la empresa japonesa NTT. La Tabla 1 muestra los principales indicadores de desempeño técnico de AQ8603.
Tabla 1 Principales indicadores de rendimiento técnico del analizador de tensión de fibra óptica AQ8603
3 Monitoreo de seguridad de túneles
La aplicación de la tecnología de detección de fibra óptica distribuida BOTDR en túneles de mi El país es cada vez más común en Maduro. Durante el proceso de construcción de múltiples sistemas de monitoreo de deformación de túneles, hemos formado un conjunto de experiencias exitosas, que proporciona una base técnica sólida para la promoción de esta tecnología en el monitoreo de seguridad de ingeniería geotécnica y geológica.
3.1 Tendido de fibra óptica
Para reflejar con precisión el estado de deformación de la estructura que se está midiendo, la fibra óptica debe estar estrechamente conectada a la estructura y colocada sobre la estructura. La calidad de la colocación está directamente relacionada con el efecto real del monitoreo, por lo que es de gran importancia en aplicaciones de ingeniería.
Basado en el principio de diseño del sistema de monitoreo de fibra óptica, combinado con las condiciones de ingeniería reales y las características del sensor de fibra óptica distribuida por tensión AQ8603, existen básicamente dos métodos de tendido: tendido integral y punto fijo. colocación, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Conexión a gran escala y conexión de punto fijo
3.1.1 Tendido completamente continuo
La fibra óptica de detección está conectada de manera integral a lo largo de la dirección de profundidad y sección transversal del túnel. La fibra sensora colocada a lo largo de la dirección de profundidad se usa para monitorear la deformación general del túnel en la dirección longitudinal, mientras que la fibra óptica colocada a lo largo de la sección transversal se usa para monitorear la deformación lateral del túnel.
La característica de la pavimentación continua integral es que el estado del túnel se puede monitorear durante todo el proceso. El objeto de monitoreo es todo el túnel y el resultado del monitoreo es la deformación de todo el túnel. En este método de conexión, se aplica un proceso de colocación específico y se utiliza un pegamento mixto (principalmente resina epoxi) con excelentes resultados experimentales para pegar la fibra sensora a la superficie de concreto de acuerdo con la línea diseñada, y el cable óptico se conecta al extremo de la fibra sensora. Las señales de monitoreo se transmiten al centro de monitoreo del túnel.
3.1.2 Tendido continuo de punto fijo
La característica de este método de conexión es centrarse en monitorear la deformación de lugares de deformación potenciales (o supuestas), como juntas de deformación y concentración de tensiones. áreas. Los objetos de monitoreo son lugares de deformación potencial (o supuesta), como las juntas de deformación, y los resultados del monitoreo son las características de tensión y deformación de los lugares de deformación potencial (o supuesta), como las juntas de deformación. El método de colocación de este método de conexión es aproximadamente el mismo que el método de conexión general, la diferencia es que se seleccionan algunos puntos especiales para pegar en la superficie de construcción de diseño, es decir, se determina un punto fijo para la fibra óptica cada 1 m ~ 1,5. m, y pegado en el muro de hormigón para detectar la deformación de las juntas locales (ver Figura 3). En algunas ubicaciones características, de acuerdo con las condiciones reales, se instalan sensores de costura en ubicaciones específicas en líneas específicas para monitorear la deformación de las juntas de deformación (ver Figura 4).
Figura 3 Diagrama esquemático del cableado de la junta del túnel
3.2 Cálculo de la deformación
Debido a las complejas causas de la deformación del túnel, existen deformaciones generales causadas por la temperatura y deformación en diferentes direcciones. Deformación local causada por grietas y dislocaciones, por lo que a veces es difícil calcular que el túnel debe transformarse medido por BOTDR en deformación. Por lo tanto, una solución factible es: en primer lugar, organizar la red de monitoreo de fibra óptica de manera razonable, monitorear la tensión general y la tensión local del túnel y sus direcciones respectivamente, y en segundo lugar, calcular la deformación general y la deformación local de la estructura de acuerdo con las características de deformación; Se deben utilizar los métodos de cálculo correspondientes para La deformación se convierte en deformación del túnel.
Figura 4 Diagrama esquemático del sensor de soldadura
Por ejemplo, para una deformación uniforme, la deformación se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
Procedimientos de investigación de peligros geológicos y métodos de tecnología de monitoreo
p>
Donde ε es la deformación, d es la longitud de la sección de deformación y δ es la cantidad de deformación.
Para deformaciones desiguales, se pueden utilizar conexiones de punto fijo para tender fibras ópticas dentro de una cierta distancia. La deformación entre los dos puntos de unión se considera aproximadamente una deformación uniforme y la deformación no uniforme a lo largo de la fibra óptica también se puede obtener según la fórmula anterior.
Si se produce un asentamiento general desigual del túnel, la deformación del asentamiento se puede calcular aproximadamente según el método de cálculo de la deflexión (ver fórmula (3)):
Recopilación de investigación de peligros geológicos y métodos de tecnología de monitoreo
Donde ε1 y ε2 son las deformaciones de las dos fibras ópticas colocadas en la parte superior e inferior de la estructura respectivamente, y d es la distancia entre las dos fibras ópticas.
Además, combinado con la tecnología de simulación numérica, también se pueden realizar cálculos de deformación. La deformación de las fibras ópticas se puede utilizar como condiciones de contorno o condiciones conocidas en cálculos numéricos. Se pueden obtener diversas deformaciones en diferentes partes de la estructura mediante métodos de cálculo de elementos finitos o diferencias finitas.
En resumen, el cálculo de la deformación del túnel desde la deformación hasta la deformación suele ser complicado, pero siempre que la red de monitoreo de fibra óptica esté razonablemente dispuesta y se utilice el método de cálculo correcto, se pueden obtener resultados satisfactorios para el Cálculo de la deformación del túnel.
4 Monitoreo de la deformación del pozo de cimentación
El monitoreo de la deformación del pozo de cimentación es una de las cuestiones básicas en ingeniería geotécnica, y la importancia de la estabilidad del pozo de cimentación es evidente por sí misma. En los últimos seis meses, el equipo de investigación ha aplicado con éxito la tecnología BOTDR a muchos proyectos de cimientos grandes y profundos en Nanjing a través de una gran cantidad de estudios experimentales en interiores y exteriores, y logró algunos resultados muy valiosos.
Como todos sabemos, las causas de la deformación del pozo de cimentación son complejas y diversas, pero en general, las razones principales son el desplazamiento horizontal y el levantamiento del sótano causado por la excavación del pozo de cimentación. Los métodos de monitoreo tradicionales, como cajas de presión de tierra, inclinómetros, etc., a menudo tienen deficiencias como baja precisión, mala resistencia a la corrosión, grandes pérdidas y desperdicio de mano de obra debido a limitaciones en sus propios métodos de detección. A través de la investigación, el equipo de investigación desarrolló con éxito un sistema patentado de detección de fibra óptica distribuida para el monitoreo del desplazamiento de cimientos basado en la tecnología BOTDR (inclinómetro inteligente de detección de fibra óptica distribuida).
Figura 5 Sistema de detección distribuido de fibra óptica para el monitoreo del desplazamiento del pozo de cimentación
Como se muestra en la Figura 5, el sensor se desarrolla combinando equipos inclinómetros tradicionales con tecnología BOTDR avanzada. El propósito de aplicar el dispositivo inclinómetro tradicional es: ① El inclinómetro idealmente puede reflejar la deformación del suelo y es un buen material (2) El inclinómetro en sí tiene ranuras y no requiere ranuras manuales (3) El material es un; material de monitoreo comúnmente utilizado para pozos de cimentación y es conveniente, fácil de obtener y económico (4) El uso de materiales consistentes con los métodos de monitoreo tradicionales facilita la comparación de tecnologías nuevas y antiguas; En resumen, la composición del sistema es adherir la fibra óptica al tubo inclinómetro de acuerdo con un determinado proceso de construcción con pegamento especial que ha sido verificado mediante pruebas y prácticas de ingeniería en interiores y exteriores para formar un sistema de detección, al que llamamos óptico distribuido. Sensor de fibra. Tubo inclinómetro inteligente.
Este sensor tiene todas las ventajas de los sensores de fibra óptica distribuidos y puede usarse para monitoreo casi en tiempo real.
Los resultados de monitorización obtenidos por los sensores de fibra óptica distribuidos que utilizan la tecnología BOTDR son información física axial (deformación, temperatura, etc.) a lo largo del sensor de fibra óptica. Por lo tanto, cómo utilizar sensores de fibra óptica para obtener la deformación horizontal distribuida a lo largo del pozo de cimentación se ha convertido en el núcleo del problema. Después de la investigación, la deformación horizontal del pozo de cimentación se puede calcular aproximadamente calculando la deflexión.
Según los conocimientos de mecánica de materiales, la deflexión en cada punto de la línea se puede calcular mediante la siguiente fórmula.
Procedimientos de Métodos Tecnológicos de Investigación y Monitoreo de Peligros Geológicos
Donde: εx es la deformación medida de la fibra óptica en el punto a medir, y su valor es la diferencia de deformación entre las dos fibras ópticas a ambos lados del inclinómetro; d es la distancia entre las fibras ópticas unidas a ambos lados del inclinómetro; el punto inicial de la integración es un punto más profundo y libre de tensiones, v(x) es la deflexión de cada punto; , que puede considerarse aproximadamente como la deformación horizontal del pozo de cimentación.
5 Detección de Pavimentos de Hormigón Armado Continuo
El Pavimento de Hormigón Armado Continuo (CRCP) es una losa de hormigón continuo que omite por completo las juntas y se utiliza para reducir o mejorar la vibración y el ruido provocado por las juntas. planitud y comodidad de conducción. Para esta estructura de pavimento de alto rendimiento, el estado tensional de las barras de acero, el estado tensional del hormigón y la distribución de grietas del pavimento son los principales factores que reflejan el rendimiento del pavimento [8.9]. Es de gran importancia aplicar BOTDR, una excelente tecnología de pruebas no destructivas, para monitorear la tensión de las barras de acero y el concreto y las grietas del pavimento en el pavimento CRCP.
La Figura 6 muestra el diseño del sistema de detección distribuida de fibra óptica BOTDR en un pavimento de hormigón armado continuo. Hay 11 barras de acero longitudinales en la superficie de la carretera. La fibra óptica de detección, 4 fibras ópticas de compensación de temperatura y 5 fibras ópticas de detección de tensión están colocadas simétricamente a lo largo del centro sobre 9 barras de acero.
La Figura 7 muestra los cambios en la deformación del hormigón en la superficie de la losa detectados por BOTDR dentro de los 5 días posteriores al vertido del hormigón. En la figura, podemos ver claramente la distribución de la deformación del hormigón a lo largo de la superficie longitudinal del pavimento y podemos predecir la ubicación de posibles grietas en el pavimento en función de la ubicación de la deformación máxima de tracción. Como se muestra en la figura, es más probable que aparezcan grietas a 79 m.
Fig. 6 Disposición del sistema de detección de fibra óptica
Fig. 7 Distribución de deformaciones del hormigón en la superficie de la losa
La Fig. 8 muestra los resultados obtenidos por BOTDR. dentro de los 5 días posteriores al vertido del hormigón. Se detectaron cambios en la deformación de las barras de refuerzo. En la figura se puede ver claramente que la tensión de las barras de acero se distribuye longitudinalmente a lo largo de la superficie de la carretera. Durante el endurecimiento del hormigón, las deformaciones en las barras de acero no son uniformes. El monitoreo continuo de las deformaciones de las barras de refuerzo puede ayudar a predecir el desempeño del pavimento.
Los resultados de las pruebas muestran que el sistema de detección de fibra óptica distribuida BOTDR puede detectar eficazmente en línea las deformaciones de barras de acero y hormigón en losas de pavimento de hormigón armado continuo. Esto muestra que BOTDR tiene buena aplicabilidad y amplias perspectivas de aplicación en plataformas de carreteras, plataformas de puentes y otros proyectos similares.
6 Conclusión
La tecnología de detección de fibra óptica distribuida todavía está en su infancia en China. Aunque se han logrado ciertos éxitos en algunos campos, como túneles y pozos de cimentación, todavía queda mucho trabajo de investigación por realizar, incluidos dos aspectos: primero, seguir mejorando la propia tecnología de monitoreo de detección de fibra óptica distribuida; en segundo lugar, soluciones continuas a las dificultades técnicas de monitoreo de ingeniería. Se cree que a medida que esta tecnología continúe desarrollándose y madurando, cada vez más proyectos de infraestructura a gran escala utilizarán esta tecnología para el monitoreo distribuido y el diagnóstico de salud. Sus perspectivas de aplicación son muy amplias e inconmensurables.
Figura 8 Distribución de deformaciones de las barras de refuerzo
Referencia
[1] Horiguchi T, Kurashima T, Tateda M. Estiramiento del cambio de frecuencia de Brillouin en fibra óptica de sílice Dependencia de la deformación . IEEE Photonics Technology Letters, 1989, 1(5):107~108
[2] Ohno H, Naruse H, Kihara M, Shimada A, Aplicaciones industriales de sensores de deformación de fibra óptica BOTDR. Tecnología de fibra óptica, 2001, 7(1):45~64
[3] Wu Zhisheng, Takahashi Tai, Jin Hao, Hiramatsu Hikaru, Detección de grietas en estructuras de hormigón mediante detección de fibra óptica. Actas de la Japan Concrete Society, 2000, 22(1):409~414
[4] Wu Z S, Takahashi T y Sudo K, Estudio experimental sobre el monitoreo de tensiones y grietas continuas utilizando sensores de fibra óptica. Concrete Research and Technology, 2002, 13(2):139 ~ 148
[5] Li Chun et al., sensor de tensión bidireccional de fibra óptica distribuido para tuberías troncales de transmisión de gas. Óptica y láseres en ingeniería, 2001, (36): 41~47
[6] Uchiyama H, Sakairi Y, Nozaki T, Un instrumento de medición de la distribución de tensión de fibra óptica que utiliza un nuevo método de detección. Boletín técnico de Ando, 2002, (10): 52~60
Huang Minshuang, Chen Weimin, Huang Shanglian. Análisis teórico de sensores de deformación por tracción de fibra óptica distribuidos basados en dispersión de Brillouin. Ingeniería optoelectrónica, 1995, 22 (4): 11 ~ 36.
Zha Xudong, Zhang Qisen, Li Yuzhi, Su Qinggui, Huang Qing. Investigación sobre tecnología de construcción de pavimentos continuos de hormigón armado para carreteras. China y las carreteras extranjeras, 2003, 23 (1): 1 ~ 4
[9] Xie Jun, Zha Xudong, compilado. Guía para el diseño de pavimentos continuos de hormigón armado.
Carreteras extranjeras, 2000, 20 (5): 4 ~ 6.
[10] Shi Bin et al. Estudio de viabilidad sobre la aplicación de la tecnología de monitoreo de cepas BOTDR en el diagnóstico de salud de proyectos de fundaciones a gran escala. Revista de Ingeniería y Mecánica de Rocas. Volumen 22, Número 12, 2003.
[11] Shi Bin et al., Investigación de aplicaciones de BOTDR en monitoreo de deformación de ingeniería de túneles, monitoreo de salud estructural e infraestructura inteligente, Balkema Press, 2003: 1025~1030
Xu, Shi Bin, Zhang Dan, Cui. Método de procesamiento de señales de sensores de fibra óptica BOTDR basado en análisis de wavelets. Láseres optoelectrónicos, 2003(7).
[13] Xu Haizhong, Shi Baolin, Ding Yong, Cui, BOTDR distribuyeron el procesamiento de datos de medición de deformación basado en el análisis de ondas, Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure, Beijing: Science Press, 2003: 345~349
Andy, Lu Zhitao. Sensores de fibra óptica para monitoreo de puentes. Tecnología de transporte por carretera, 2003, 20 (3): 91 ~ 95.
Zhang Dan, Shi Bin, Xu, Cui. BOTDR distribuyó sensores de fibra óptica y sus aplicaciones en el monitoreo de la salud estructural. Revista de Ingeniería Civil, 2003, 36 (11): 83 ~ 87.
[16], Xu, Ding Yong, Cui, Gao, Aplicación de BOTDR en monitoreo de flexión estructural, monitoreo de salud estructural e infraestructura inteligente, Balkema Press, 2003:271 ~276
[17], Gao, Xu, Identificación y localización de grietas en estructuras de vigas en T de hormigón armado utilizando sensores de fibra óptica distribuidos basados en BOTDR, 2004
Zhang Dan, Shi Bin, Xu, Gao, Zhu Hong. Estudio experimental sobre el seguimiento BOTDR de la deformación de vigas en T de hormigón armado. Journal of Southeast University (por publicar)
[19] Ding Yong, Shi Bin, Wu Zhishen. Sensores de fibra óptica en vigilancia geotécnica. Actas de la Cuarta Conferencia Nacional de Ingeniería Geotécnica 2003: 283 ~ 291.
[20] Ding, Yang, Shi, Wang, Cui, Gao, Chen, Jianqing, Chen, 2003. Estabilidad del sensor de tensión de fibra óptica bajo tensión constante.
Monitoreo de la salud estructural e infraestructura inteligente, Editorial Balkema, 2003: 267~270