Tecnología de detección de fibra óptica para el seguimiento de desastres geológicos
La tecnología de detección de fibra óptica es una tecnología de alta tecnología en el campo de la medición de ingeniería. Los sensores de fibra óptica utilizan la luz como portador de información y la fibra óptica como medio de transmisión de información. Tiene ventajas sobresalientes como interferencia antielectromagnética, resistencia a la corrosión, alta sensibilidad, respuesta rápida, peso ligero, tamaño pequeño, forma variable, gran ancho de banda de transmisión y medición distribuida reutilizable. Se utiliza ampliamente en la detección dinámica en línea de edificios de gran altura, edificios inteligentes, puentes y carreteras. De 2006 a 2010, con el apoyo de los proyectos clave del "Undécimo Plan Quinquenal" del Plan de Apoyo a la Ciencia y la Tecnología y el proyecto de estudio geológico del Servicio Geológico de China, se construyó un sistema de monitorización y demodulación de rejillas de fibra y un sistema de tensión de fibra óptica distribuida. Se desarrolló y aplicó un sistema de monitoreo con derechos de propiedad intelectual independientes. El monitoreo de desastres geológicos en el área del embalse de las Tres Gargantas ha logrado buenos resultados.
La tecnología de detección de fibra óptica mide parámetros ambientales midiendo algunos parámetros (como intensidad, fase, frecuencia, estado de polarización, etc.). ) luz transmitida en una fibra óptica. La tecnología de detección de fibra óptica distribuida se ha convertido en una de las tecnologías más prometedoras en la tecnología de detección de fibra óptica con sus ventajas de reutilización, distribución y transmisión a larga distancia, y es la tendencia de desarrollo de la tecnología de monitoreo de detección de fibra óptica. Entre ellas, la rejilla de fibra de Bragg (FBG) y la reflectometría óptica en el dominio del tiempo (BOTDR) de Brillouin son las dos tecnologías de detección de fibra distribuida más representativas.
FBG es un sensor de fibra óptica casi distribuido. La información de medición obtenida por FBG no se distribuye continuamente en el espacio, pero puede monitorear múltiples puntos en un amplio rango al mismo tiempo. La rejilla de Bragg es una rejilla cuyo índice de refracción cambia periódicamente en una fibra óptica. La longitud de onda de la luz reflejada es diferente en diferentes períodos. Cuando una fibra óptica con rejilla de Bragg se estira o comprime y su temperatura cambia, su período cambia y la longitud de onda de la luz reflejada también cambia. Midiendo el cambio de longitud de onda de la luz reflejada, se puede conocer el valor de tensión o temperatura de la fibra óptica. El principio de medición de la rejilla de Bragg de fibra se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Principio de medición de la rejilla de Bragg de fibra
BOTDR utiliza principalmente el espectro y las características de potencia de la luz dispersada Brillouin posterior generada por ondas de luz que se propagan en la fibra óptica para interactuar con el entorno externo. (temperatura, tensión, etc.) características relacionadas. ). La Figura 2 es el diagrama de distribución espectral de la luz retrodispersada en fibra óptica.
Como se puede ver en la Figura 2, en la dispersión Brillouin, la frecuencia de la luz dispersada tiene un cambio de frecuencia de Brillouin en relación con la luz de la bomba. El cambio de frecuencia de Brillouin cambia cuando las propiedades del material de una fibra óptica se ven afectadas por la temperatura o la tensión. Por lo tanto, se pueden lograr mediciones distribuidas de temperatura y tensión midiendo el cambio de frecuencia de la luz dispersada por Brillouin de luz pulsada.
Figura 2 Distribución espectral de la luz retrodispersada en fibra óptica
Un gran número de estudios teóricos y experimentales han demostrado que cuando la temperatura ambiente cambia menos o igual a 5°C, la La deformación axial de la fibra óptica está relacionada con el Brillouin. La relación entre la deriva de frecuencia de la luz dispersada se puede expresar como
VB(ε) = VB(O) Cε
Donde: VB(ε) es la deriva de la frecuencia de dispersión de Brillouin cuando la fibra está deformada; VB(O) es la deriva de la frecuencia de dispersión de Brillouin cuando la fibra no está deformada; c es el coeficiente de deformación de la fibra, generalmente 50 m Hz/με; ; ε es la deformación axial real de la fibra. El principio de medición de la deformación BOTDR se muestra en la Figura 3.
Figura 3 Principio de medición de deformación BOTDR
El Centro de Investigación de Hidrogeología y Geología Ambiental del Servicio Geológico de China ha logrado resultados en tecnología de detección de fibra óptica para el monitoreo de desastres geológicos, incluida una serie de sensores ópticos. Sensores de rejilla de fibra, instrumentos de monitoreo de fibra óptica y métodos de monitoreo de fibra óptica. Tiene derechos de propiedad intelectual independientes y puede desempeñar un muy buen papel en deslizamientos de tierra, estabilización de pendientes y monitoreo de salud de grandes proyectos nacionales.
1) Basado en la tecnología de detección de rejilla, tres tipos de sensores de rejilla: sensores de tensión de rejilla, sensores de desplazamiento y extensímetros de rejilla de acero tienen derechos de propiedad intelectual independientes y su rendimiento alcanza el nivel de productos similares. En comparación con productos nacionales similares, el costo económico se reduce en un 50% y se obtuvo el "Dispositivo sensor de rejilla de fibra de Bragg para monitoreo de grietas de deslizamientos de tierra" (Patente No.: ZL200820135234.7) "Sensor de rejilla de fibra de Bragg".
Figura 4 Demodulador de monitoreo de rejilla de Bragg de fibra
2) Usando tecnología de multiplexación por división de longitud de onda óptica para demodular la matriz de sensores de rejilla de Bragg de fibra, el demodulador de monitoreo de rejilla de Bragg de fibra desarrollado (Fig. 4) Puede alcanzar un rango de demodulación de longitud de onda de 40 nm, una precisión de demodulación de 5 pm y transmitir datos de monitoreo en tiempo real. El rendimiento técnico ha alcanzado el nivel internacional de productos técnicos similares y el costo económico es un 30% menor que el de productos similares en el país y en el extranjero. Se ha utilizado prácticamente en el monitoreo de grietas por deslizamientos de tierra en el área del embalse de las Tres Gargantas.
3) Utilizando modulación electroóptica de microondas y tecnología de detección óptica coherente, se desarrolló un prototipo de un sistema distribuido de monitoreo de tensión de fibra óptica (Figura 5) con derechos de propiedad intelectual independientes. La distancia de prueba puede alcanzar más de 20 km, la resolución espacial es de 5 m y la precisión de la medición de la deformación es de 100 με. El rendimiento técnico está cerca del nivel de productos internacionales similares y el costo económico se ha reducido en un 30%. en el monitoreo de deslizamientos de tierra en el área del embalse de las Tres Gargantas.
Figura 5 Sistema distribuido de monitoreo de tensión de fibra óptica
4) Se explora el método de aplicación de monitoreo conjunto de deslizamientos de tierra por parte de FBG y BOTDR. Los experimentos muestran que FBG y BOTDR monitorean conjuntamente los deslizamientos de tierra, colocan fibras ópticas de monitoreo en todo el deslizamiento de tierra y utilizan la tecnología BOTDR para obtener información general sobre todo el deslizamiento de tierra, instalan sensores FBG en las partes clave de la deformación del deslizamiento de tierra: juntas de deformación, y usan sus superiores; capacidades de monitoreo La sensibilidad puede obtener los valores de tensión de algunas partes clave del deslizamiento de tierra, lo que no solo puede superar las deficiencias de la baja resolución espacial del monitoreo BOTDR, sino que también compensa las deficiencias de FBG que solo puede medir puntos discretos, darse cuenta Monitoreo de deslizamientos de tierra desde el punto a la línea y luego a la superficie, y obtener información más completa sobre la tensión de los deslizamientos.
2. Ámbito de aplicación y ejemplos de aplicación
La precisión de medición del sensor FBG puede alcanzar 0,0065438 ± 0. El tiempo de medición del sistema es corto y se puede lograr un monitoreo en tiempo real. Teniendo en cuenta estas ventajas, la FBG se utiliza ampliamente en la inspección estructural (como el control del estado de puentes y túneles). Cuando se usa para el monitoreo de desastres geológicos, se usa principalmente para monitorear la deformación de estructuras con grandes deformaciones. Cuando se usa para el monitoreo de deslizamientos de tierra, se usa principalmente para monitorear cambios en tiempo real en el borde posterior de deslizamientos de tierra o grietas conocidas.
Las fibras ópticas utilizadas en la tecnología de detección BOTDR son pequeñas, suaves y flexibles y se pueden combinar en la estructura de la matriz de cualquier forma sin afectar el rendimiento de la matriz. Siempre que se midan el poder de dispersión Brillouin y la frecuencia de toda la fibra de prueba, se puede obtener la distribución de tensión y temperatura de cada parte de la fibra. La mayor ventaja del sistema de tecnología de detección es que la fibra óptica es a la vez un elemento de detección y un medio de transmisión. Pertenece al monitoreo distribuido y puede cumplir con los requisitos del monitoreo ininterrumpido y a larga distancia. Es fácil conectarse en red con la transmisión de fibra óptica. sistema para realizar telemetría y control del sistema. Cuando se utilizan para el monitoreo de desastres geológicos, las fibras ópticas se pueden implantar en el cuerpo de monitoreo en forma de redes neuronales para monitorear todo el proceso desde la línea hasta la superficie.
Aplicación de tecnología de detección de fibra óptica en el monitoreo de deslizamientos de tierra de la Federación de Personas con Discapacidad:
El deslizamiento de tierra de la Federación de Personas con Discapacidad está ubicado en el centro de la nueva ciudad del condado de Wushan, Chongqing, y es un terreno en la ladera del valle. Aunque se adoptó el plan de tratamiento de "dragado y reducción de carga, anclajes de celosía, muros de pie y drenaje superficial", aún existía una deformación superficial evidente en la parte inferior del deslizamiento. En vista de esto, en agosto de 2004 se utilizó la tecnología BOTDR para monitorearlo y el 10 de junio de 2006 se instalaron sensores de deformación FBG en sus partes clave de deformación (Figura 6).
Figura 6 Red distribuida de fibra óptica en la parte baja del desprendimiento CDPF e instalación de sensores FBG en partes claves.
La monitorización BOTDR muestra (Figura 7) que hay cuatro segmentos anormales obvios de alta tensión a lo largo de la fibra óptica, que son simétricos en pares (la fibra óptica se vuelve a colocar). La sección anormal C1 corresponde al perfil 92 ~ 93 y la sección anormal C2 corresponde al perfil 142 ~ 143. La investigación macroscópica muestra que hay grietas de tracción obvias y deformación por corte en estos dos lugares, y los datos de monitoreo de FBG (Figura 8) también muestran que la deformación continúa. En mayo de 2010, la tensión de deformación de la grieta alcanzó 642,76 με. De esta manera, a través del monitoreo conjunto de FBG y BOTDR, no solo se obtiene la distribución de la tensión del deslizamiento a lo largo de la dirección de la sección transversal, sino que también se fortalece el monitoreo de las partes clave de la deformación.
Figura 7 BOTDR monitoreando la distribución de tensiones a lo largo de la fibra óptica en la parte inferior del Deslizamiento de Discapacitados.
Figura 8 Diagrama esquemático de la red de Bragg de fibra que monitorea los cambios de tensión a lo largo del tiempo
En tercer lugar, promover métodos de transformación
Los logros de la tecnología de detección de fibra óptica de desastres geológicos pueden ser promovido a través de publicidad y conferencias Mejorar el conocimiento del mercado a través de la comunicación, la capacitación del personal y la consulta técnica. Una serie de sensores de rejilla de fibra, demoduladores y monitoreo de rejilla de fibra y sistemas de monitoreo de fibra distribuida con derechos de propiedad intelectual independientes se pueden convertir en productos relacionados con la tecnología de monitoreo y venderse directamente en el mercado. El método técnico de seguimiento de catástrofes geológicas mediante fibra óptica puede promoverse mediante proyectos de demostración.
Unidad de soporte técnico: Centro de Estudios Geológicos Hidrogeológicos y Ambientales del Servicio Geológico de China.
Persona de contacto: Zhang Qing
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