引水隧洞集石坑淤积的分布式光纤传感监测制造技术

公开一种基于高信噪比的强加热法的分布式光纤传感监测的技术方案与系统，用于引水隧洞集石坑淤积量和分布的自动化遥测，精准可靠、防水、耐久，长期稳定，性价比经济合理。系统采用强化加热的光电复合缆，保障光纤温升值在水‑沙交界面处出现突变，界面上下光纤温升差异约达15~40ºC以上，并与拉曼型DTS光解调仪或者高精度的布里渊光时域分析仪PPP‑BOTDA/布里渊‑瑞利合成系统TW‑COTDR相配合，信噪比达10以上，足以避免水‑沙界面的温度异常信号被观测误差所淹没，保证淤积厚度和形态观测结果的可靠性。提供了技术方案的优化布置和实施方式，传感光缆分组‑斜向敷设在集石室两侧面和下游墙面上，以增强其灵敏度、安全裕度和工程实用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种引水隧洞集石坑淤积监测的分布式光纤传感技术型式及系统，旨在实现集石坑淤积的自动化在线遥测。
技术介绍
在水电工程尤其地下电站中，地质条件容许时常采用不衬砌引水隧洞，其末端设有集石坑。集石坑沉积状况直接关乎电厂安全和效益，若坑已淤满而不及时清理，集石坑就会失去作用，而危及水轮机等设备安全；而清理过早、过频，则引水效益和经济损失显著[1,2]。为获取集石坑淤积的信息，我国岷江渔子溪一级水电站隧洞集石坑采用过悬吊的观测箱，用4只钢筋计测量箱内沉积的沙石量。不料，钢筋计作为常规的电测传感器，在动水环境的恶劣条件下工作，短期内就坏了3只[1,2]。鉴于此，本专利技术旨在提供一种高技术的网络式实时在线监测手段----分布式光纤传感监测技术和方案。在这方面，迄今尚无将分布式光纤传感技术用于引水隧洞集石坑淤积监测的应用或研发成果；而相接近的应用是，基于温度示踪原理，国内将加热法拉曼型光纤测渗传感DTS用于广东长调水库砼面板坝周边缝渗漏监测[3]。加热后，光纤沿程温升多为2～5℃，而有6处温升为1.6～2℃，依此判定其为渗漏点。然而，事实上，同次测量中，邻近点的温度上下跳动4℃以上者，达20余处，易见其读数和珍断的可靠性不足。这表明：该种DTS光解调仪-光电复合缆构成的加热法光纤测渗系统的总体性能，尚有欠缺，集中体现在其SNR(系统信噪比)偏低，对渗漏的识别缺乏可信性。问题在于：1)电加热能量偏小，无渗漏温升仅约2～5℃的量级；2)拉曼光纤传感的光学解调仪不完全适用于水电工程的小局部温度突变-精度要求高的场合(对于集石坑，鉴于坑深有限(大约1～2m)，坑内沉积监测的精度要求相对较高)。其解调仪的温度测量精度为±1℃(短程)[4]，特别是拉曼散射光强很弱，这限制了它的空间分辨率为米级(1m)，这对于渗漏降温这种陡谷分布的观测特别不利，在分辨率范围内温度效应会平均化、增大误差。光纤传感系统的测温精度“本质上由系统的信噪比决定”[4]，当SNR低时，温度异常这一人们要捕捉的信号“极易被观测误差所掩盖”[5]。关于大坝监测误差与监测参量的相对关系，最相近的相关规定是：国家电力行业标准DL/T5178—2003《砼坝安全监测技术规范》针对变形监测的规定为“要测定出大坝一般变形规律，监测值的误差应远小于变形量”。国际测量工作者联合会(FIG)变形观测组提出“监测值的误差型小于变形量的1/10～1/20。”据此，则集石坑淤积的加热法光纤传感监测的温度误差应小于水-沙界面处生成的温升变异(背境温升与淤积层温升之差)的1/10～1/20。简言之，水沙界面温升变异需比测温误差高1个数量级。主要文献：[1]李协生.引水隧洞集石坑布置与设计的若干问题，水电站设计，1992，7.[2]徐光亮.渔子溪一级电站引水隧洞集石坑的设计与运行情况，水力发电，1983，4.[3]秦一涛等.分布式光纤温度监测系统在长调水电站的应用实践，大坝与安全，2004年1期pp45-48.[4]张在宣等.分布式光纤拉曼光子温度传感器的研究进展.中国激光,2010年11期pp2749-2761.[5]魏德荣等.电力行业标准DJ/T5078-2003《混凝土坝安全监测技术规范》修订介绍.大坝与安全，2003年6期.
技术实现思路
本专利提供一种基于高信噪比的强加热法分布式光纤传感渗漏监测技术方案，适用于集石坑淤积的自动化在线遥测。技术方案(一)技术方案所依据的科学原理(1)光纤光学原理：据光纤光学领域的最新进展，光纤光波导的三种本征散射都对温度敏感，各自特有的光学参量成为环境温度的信息载体如下[6～7]：1)拉曼(Raman)散射光----拉曼散射光的反斯托克斯与斯托克斯的光强比与温度呈正相关。拉曼光纤温度传感研发早，在火灾等监测中广泛应用，但对于集石坑淤积形态这种细部温度突变而又要求高精度的特定场合，显得精准度有所欠缺。2)布里渊(Brillouin)散射光----布里渊增益谱峰值的频移与温度及应变增量线性相关，基本关系式为△vb＝C11△ε+C12△T式中，△vb为布里渊增益谱频移，△ε为应变增量，△T为温度增量，C11为布里渊应变-频率系数，C12为布里渊温度-频率系数。通过测量布里渊频移就可测定光纤应变和温度，经解耦可得光纤沿程的温度分布。新型的预脉冲(Pulse-Pre-Pump)布里渊光时域分析仪PPP-BOTDA，其脉冲最小宽度达0.2ns，空间分变率达2～10cm、测温精度0.35℃。3)瑞利(Rayleigh)散射光----光纤纤芯在拉制过程中生成的残留应变所产生的瑞利后向散射光，其频移与温度和应变增量线性相关，其基本关系式为△vR＝C21△ε+C22△T式中，△vR为瑞利散射光频移，C21为瑞利应变-频率系数，C22为瑞利温度-频率系数。布里渊-瑞利合成系统(HybridBrillioun-Rayleighsystem)近期业已产品化---TW-COTDR(谐调波长相干光时域反射仪)，工作性能与上述PPP-BOTDA相当，且可实现温度-应变的自动解耦[7、8]这些为提高系统的信噪比、增强温度观测数据的可靠性提供了极有利条件。众知，一个传感监测系统的整体性能由传感器和测量仪这两个子系统决定。在加热法光纤传感系统即由光电复合缆和光学解调仪共同决定。鉴于上述低加热的拉曼型DTS系统的信噪比差强人意的局陷性，而其光学解调仪相对经济的优势，为扬长补短，本专利提供一种提高加热法光纤传感系统信噪比的技术途径----强化加热，旨在显著放大集石坑内淤集区的有效信号(淤积区温升)与背景温升(流水区温升)的差异，以强化异常温升与正常温升状态的对比度，从而把该有效信号从背境噪声中识别出来。(2)温度示踪原理：当光电复合缆供电时，生成局部内热源温度场，並受控于周围介质的导热性能与条件。淤积靣以下的温升取决于淤积物的传导散热，而流水区光纤温升则取决于流水的对流散热。后者的散热效应比前者(按渔子溪一级电站10年的实践，其粒径主要为11.6mm以下的砂砾[2])强烈得多，两者差异明显。即淤积靣以下光纤温升明显较高。故光纤温度的突变点，恰恰与淤积形态分布相对应,以确定淤沙面位置和高程。主要文献:[6]SylvieDelepine-Lesilleetal.ValidationofCW-COTDRmethodfor25kmdistributedopticalfibersensing,Proc.ofSPIEVol.8794879438-1.[7]K.Kishidaetal.Studyofopticalfiberstrain-temperaturesensitivitiesusinghybridBrillouin-Rayleighsystem,PhotonicSensors,DOI:10.1007/s13320-013-0136-1.(二)系统组成如附图1所示，系统组成主要包括：工控机/稳压电源—光学解调仪—光开关—传输光缆/电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种引水隧洞集石坑淤积监测的加热法分布式光纤传感系统和技术方案，其技术特征是：采用强化加热法分布式光纤温度传感监测系统和优化技术方案，实现对集石坑形态和淤积量的在线遥测，得出集石坑淤积的可靠信息，为实现引水隧洞的科学清游提供决策依据。

【技术特征摘要】
1.一种引水隧洞集石坑淤积监测的加热法分布式光纤传感系统和技术方案，其技术特征是：采用强化加热法分布式光纤温度传感监测系统和优化技术方案，实现对集石坑形态和淤积量的在线遥测，得出集石坑淤积的可靠信息，为实现引水隧洞的科学清游提供决策依据。
2.根据权利要求1所述的技术方案，其特征是：传感光纤釆用强化加热光电复合缆，内含数根传感光纤和电热导线，观测时输入充足的升温能量，电热功率达到约20~60W/m以上，水-沙界面以下的...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐天国，刘浩吾，王琛，孙曼，陈江，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51