光纤测温系统及其在碾压混凝土大坝中的应用

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1、芜幷测泯系俛及其在碾圧混凝土丈领屮的盜用摘要：分布式光纤温度测暈系统是利用光缆作为温度传感和信息传递的介质，其中光纤一方面最小可以每25cm长度为一个温度感应单元，另一方而起着连接电缆作用传递感应到的温度信息，所以光纤本身既是测温元件又是连接电缆。由于一根光缆相当于无数个传感器和相应的连接电缆，可以方便地获得大量的温度信息。磔压混凝土大坝以其坝体分缝少而施工仓而人，坝体连续碾压上升而施工速度快等特点，越来越多地受到重视。但由于连续施工的坝体混凝土体积人，施工期间需耍采取较为严格的温度控制措施并随坝体内的实际温度情况而调整。采取埋设

2、温度传感器的方法來获取坝体混凝I：内部个别点的实际温度对混凝I:碾压施T•十扰大，H电缆多而舗设闲难，所获得的温度信息乂远远不足以检验温控措施的有效性和指导大坝施工。本文将分布式光纤温度测量系统应用丁-碾压混凝土大坝内部的温度测量，不仅可以获得碾压层内大量的温度分布信息，且光缆铺设简单，对混凝土碾压施工干扰小。文中还提出了基于坝体内部实际温度场信息的混凝土碾压施工进度和质量控制的建议。关键词：廡压混凝土；大坝；分布式光纤温度测量系统；光缆分布式光纤温度测最系统是利用光缆作为温度传感和信息传递的介质，没有传统意义上的传感器和连接电缆

3、。光缆中的光纤一方而町以最小以25cm长度为一个温度感应单元连续感测温度，另一方面起着连接电缆作用传递感应到的温度信息，所以光纤本身既是测温元件乂是连接电缆。山于一根光缆相肖于无数个传感器和相应的连接电缆，既可以采集大量的温度信息，乂埋设方便，施工干扰小，适合于碾压混凝土大坝的快速施工。碾压混凝土重力坝和拱坝以其坝体分缝少血漩工仓而大，坝体连续碾压上升而施丄进度快等特点，越来越多地受到坝工界的重视。作为碾压混凝十人坝施工期间质量与进度控制的一个重要参数是人坝内部混凝土的温度变化梯度以及最高温升，所以及时和准确地获得混凝土内部的温度

4、场信息是碾压混凝土施工控制的关键。常态混凝土小普遍采用的利用温度传感器的温度测量技术由于测温点少而信息量不够，安装复杂而干扰施工等原因，不适合碾压混凝土的快速施工。白1999年始，清华人学与徳国墨尼黑大学和约旦科学•技术大学合作，联合硏究应用光纤分布式温度测量系统对碾压混凝土大坝内部温度进行测量，以及根据测量结果对碾压混凝土施工进度及温控措施进行控制的技术。己应川的工程冇中国的新疆石门子碾压混凝土拱坝、约旦的Wala、Mujib和Tannur三座碾压混凝土重力坝。1分布式光纤温度测量系统(DTS)分布式光纤温度测量系统是基于光纤木

5、身的散射现象来进行温度测量的。当某一波长的脉冲光导入光纤后,从光纤返回三种随时间变化的散射光:Rayleign>Raman和Brillouino其中,Rayleign散射光与入射光的频率相同，是由光纤材料折射率的变化引起的；而Raman和Brillouin两种散射光分别是由光振了和声振子引起的非顺应性散射，与入射光的频率不同。利用这三种散射光，可以分别设计出三种不同的分布式温度测量系统°但是，基于Raleign散射光的分布式温度测量系统需要采川特殊的光纤來提高温度敏感性;而棊于声振子诱发的Brillouin散射光的分布式温度测量系

6、统不但需要从光纤的一端输入脉冲激光光源，另一端输入连续激光光源，而碍要采取捲施來分离温度效应和机械应变效应，因为Brillouin散射光的频率变化与声速有关，而声速乂随温度和机械应变而改变；只有采用基于Raman散射光的分布式温度测量系统比较简单实用，并于1986年实现了商品化。经过多年的改进，冃前的设备在空间距离上的分辨率可以达到0.25m,温度分辨率为±0.2°Co1.1测点空间位置确定基于Raman散射光的分布式光纤温度测暈系统需要解决两个问题：被测量点定位，即所测温度点的空间位置，和被测虽:点的温度。前者根据发射入射脉冲光

7、利接受到Raman散射光的吋间差来标定光纤长度，实现被测量点的定位；后者根据接受到的Raman-xT散射光的频率与入射脉冲光的频率的差别来计算出I被测量点的温度，如图1所示。假设激光脉冲输入光纤后经过厶秒钟后在入射+——心.叫端检测到从断Ifl"产生的Raman散射光，则断而i与入射端的距离码为：(1)式中，c为光在真空中的传播速度；〃为光纤介质的折射率。根据这一距离，考虑光缆实际埋设情况，则可以确定所测量点的具体位置。由于光纤内每一断而均图1分布式光纤温度测量系统原理产生Raman散射光，实际上是获得Raman散射光随时间变化

8、的曲线。利用公式⑴可以转换为Raman散射光随距离的变化Illi线。由于光的传播速度非常快，需要采用相当昂贵的光时域反射计來测量散射光返回的时间。冃前时域反射计的最大距离分辨率为0.25m。1.2测点温度光纤内分子水平上的光振子的运动特性与温度之间