스빈정용소 고문빈 기군
(난징 대학교 광전 센서 엔지니어링 모니터링 센터, 장쑤 난징, 2 10093)
브릴 루앙 산란 시간 영역 반사기 (BOTDR) 와 같은 분산 광섬유 감지 기술은 최근 몇 년 동안 개발되어 전 세계적으로 널리 사용되고 있습니다. 이 문서에서는 주로 터널, 기초 구덩이 및 도로에서 BOTDR 분산 광섬유 감지 기술의 적용에 대해 설명합니다. 엔지니어링 모니터링 과정에서 축적된 대량의 모니터링 데이터는 BOTDR 분산 광섬유 감지 기술이 엔지니어링 실무에서의 응용이 엔지니어링 모니터링에 대한 새로운 아이디어를 제공하는 새롭고 신뢰할 수 있는 모니터링 방법임을 보여 줍니다. 따라서 광범위한 발전 전망을 갖게 될 것입니다.
BOTDR 광섬유 감지; 엔지니어링 모니터링 응변
1 소개
엔지니어링 안전에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 최근 몇 년 동안 많은 새로운 감지 및 모니터링 기술이 발전했습니다. 그것들은 단순히 전통적인 감지와 모니터링 기술을 개선하는 것이 아니라, 근본적으로 감지원리를 변화시켜 새로운 모니터링 방법과 사고를 제공한다. 이 가운데 BOTDR 분산 광섬유 감지 기술이 주목받고 있다. 일반 통신 광섬유를 사용하여 신경계와 같은 방식으로 건물에 이식하여 포괄적인 응변과 온도 정보를 얻습니다. 이 기술은 이미 일본 캐나다 스위스 프랑스 미국 등 선진국의 연구개발 과제가 되었다. 이 기술은 국내에서 아직 발전 단계에 있으며 일부 터널 공사 모니터링에 성공적으로 적용되어 점차 다른 엔지니어링 분야로 확대되었다.
남경대 985 공사와 교육부 중점 프로젝트의 지원으로 남경대 광전감지공사 감시센터는 국내 최초의 대형 기초공사인 BOTDR 분산 광섬유 응변 모니터링 실험실을 건설하여 일련의 실험 연구를 실시하였으며, 이 기술을 지하터널 등 공사의 실제 모니터링에 성공적으로 적용해 중요한 성과를 거두었다. 우리나라 각종 대형 기초공사와 지질공학의 품질 모니터링과 건강 진단에 광범위하게 응용할 수 있는 견고한 토대를 마련하였다.
2 BOTDR 분산 광섬유 감지 기술 원리
브릴 루앙 산란은 변형률과 온도의 영향을 모두 받는다. 광섬유를 따라 온도가 변경되거나 축 방향 변형이 있을 때 광섬유의 후방 산란 브릴 루앙 빛의 주파수가 표류되고 주파수 드리프트는 광섬유의 변형률 및 온도 변화와 좋은 선형 관계가 있습니다. 따라서 광섬유에서 역산된 자연 브릴 연광의 주파수 이동 (vB) 을 측정하여 광섬유를 따라 온도와 변형의 분포 정보를 얻을 수 있습니다. BOTDR 의 변형 측정 원리는 그림 1 에 나와 있습니다.
광섬유를 따라 변형 분포를 얻으려면 BOTDR 이 광섬유를 따라 브리앙 산란 스펙트럼, 즉 광섬유를 따라 vB 분포를 얻어야 합니다. BOTDR 의 측정 원리는 OTDR (광시간 필드 반사기) 과 매우 유사합니다. 펄스광은 일정한 주파수로 광섬유의 한쪽 끝에서 입사하고, 입사된 펄스광은 광섬유의 음향소리와 상호 작용하여 브리연 산란을 일으키는데, 그 중 역산된 브리연광은 광섬유의 원래 경로를 따라 펄스광의 입사단으로 돌아간다. 일련의 복잡한 신호 처리를 통해 BOT-DR 의 광 수신 부분과 신호 처리 장치로 들어가면 1 중간 (B) 과 같이 광섬유의 브리연을 따라 역산된 전력 분포를 얻을 수 있습니다. 산란 위치에서 펄스 라이트 입사 끝까지의 거리 z 는 공식 (1) 으로 계산할 수 있습니다. 그런 다음 위에서 설명한 방법에 따라 입사광의 빈도를 일정한 간격으로 변경하고 반복적으로 측정하여 광섬유의 각 샘플링 점에 대한 브리연 산란광의 스펙트럼을 얻을 수 있습니다.
그림 1 BOTDR 변형 측정 다이어그램
그림 1 (c) 에서 볼 수 있듯이, 이론적으로 브릴 루앙 후방 산란 스펙트럼은 로렌즈 모양이며, 피크 전력에 해당하는 주파수는 브릴 루앙 주파수 이동 vB 입니다. 광섬유를 축 방향으로 늘이면 스트레칭된 광섬유의 브리연 주파수가 변경되어 주파수의 변화와 광섬유의 변형률 사이의 선형 관계를 통해 변형될 수 있습니다. 그 중: c--진공의 광속;
지질 재해 조사 및 모니터링 기술 방법 논문집
N- 광섬유의 굴절률;
T 는 펄스 라이트 방출과 산란광 수신 사이의 시간 간격입니다.
현재 세계에서 가장 선진적인 BOTDR 모니터링 설비는 일본 NTT 사가 새로 개발한 최신 세대 AQ8603 BOTDR 광섬유 변이 분석기로 대표된다. 표 1 은 AQ8603 의 주요 기술 성능 지표입니다.
표 1 AQ8603 광섬유 변형 분석기 주요 기술 성능 지표
3 터널 안전 모니터링
BOTDR 분산 광섬유 감지 기술은 우리나라 터널에서의 응용이 점점 성숙해지고 있다. 여러 터널 변형 모니터링 시스템을 구축하는 과정에서, 우리는 암석 및 지질 공학 안전 모니터링에서 이 기술의 보급을 위한 견고한 기술 기반을 제공하는 성공적인 경험을 형성했습니다.
3. 1 광섬유 배치
테스트된 구조의 변형 상태를 정확하게 반영하려면 광섬유가 구조와 밀접하게 연결되어 구조에 라우팅되어야 합니다. 포장 품질은 모니터링의 실제 효과와 직접적인 관련이 있으므로 엔지니어링 응용에서 중요한 의미를 갖는다.
광섬유 모니터링 시스템의 설계 원리에 따라 실제 엔지니어링 상황과 AQ8603 응력 분산 광섬유 센서의 특징을 결합하여 그림 2 와 같이 기본적으로 두 가지 배치 방법이 있습니다.
그림 2 전체 범위 연결 및 고정 소수점 연결
3.1..1완전 연속 배치
센서 광섬유는 각각 터널 깊이 방향과 횡단면을 따라 종합적으로 연결되어 있습니다. 깊이 방향으로 놓인 감지 광섬유는 터널의 세로 방향 전체 변형을 모니터링하는 데 사용되고, 횡단면을 따라 설치된 광섬유는 터널의 가로 방향 변형을 모니터링하는 데 사용됩니다.
종합연속 부설은 터널의 건강 상태를 전 과정 내내 모니터링할 수 있는 것이 특징이다. 모니터링 대상은 전체 터널이고, 모니터링 결과는 전체 터널의 변형이다. 이 연결 방식에서는 특정 배치 공정을 적용하여 실험 효과가 뛰어난 혼합 접착제 (주로 에폭시 수지) 를 사용하여 설계된 회선에 따라 센서 광섬유를 콘크리트 표면에 붙이고, 센서 광섬유 끝에 광섬유 케이블을 연결하고, 모니터링 신호를 터널 모니터링 센터로 전송합니다.
3. 1.2 고정 소수점 연속 배치
이 연결은 변형 간격, 응력 집중 영역 등 잠재적 (또는 가정) 변형 장소의 변형을 중점적으로 모니터링하는 것이 특징입니다. 모니터링 대상은 변형 이음새와 같은 잠재적 (또는 가정) 변형이며, 모니터링 결과는 변형 이음새와 같은 잠재적 (또는 가정) 변형에서의 응력 변형 피쳐입니다. 이 연결 방법의 배치 방법은 전체 연결 방법과 거의 비슷하지만 설계 시공 면에서 붙여넣을 특수 점을 선택한다는 점이 다릅니다. 즉, 각 1m ~ 1.5m 은 광섬유에 대한 고정 점을 결정하고 콘크리트 벽에 붙여 터널의 로컬 이음매에서 변형을 탐지합니다 (그림 3 참조) 일부 피쳐 위치에서는 실제 상황에 따라 특정 회로의 특정 위치에 이음새 센서를 설치하여 변형 이음새의 변형을 모니터링합니다 (그림 4 참조).
그림 3 터널 커넥터 배선 다이어그램
3.2 변형 계산
터널 변형의 원인은 비교적 복잡하기 때문에, 온도로 인한 전체 변형뿐만 아니라 다른 방향의 균열과 전위로 인한 국부 변형도 있기 때문에, BOTDR 이 측정한 터널 변형을 변형으로 변환하는 것이 어려울 때가 있다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 터널 변형명언) 따라서 가능한 해결책은 먼저 광섬유 모니터링 네트워크를 합리적으로 배치하고, 터널의 전체 변형과 로컬 변형과 해당 방향을 각각 모니터링하며, 변형 특징에 따라 구조의 전체 변형과 로컬 변형을 계산하는 것입니다. 둘째, 광섬유의 변형을 터널의 변형으로 변환하는 적절한 계산 방법을 사용해야 합니다.
그림 4 용접 센서 다이어그램
예를 들어 균일 변형의 경우 변형은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
지질 재해 조사 및 모니터링 기술 방법 논문집
여기서 ε은 변형이고, D 는 변형률 세그먼트 길이이며, δ는 변형량입니다.
균일하지 않은 변형의 경우 일정 거리 내에서 고정 점 연결을 사용하여 광섬유를 배치할 수 있습니다. 두 키 점 사이의 변형은 균일한 변형으로 간주되며 광섬유를 따라 비균일 변형도 상부에 따라 얻을 수 있습니다.
터널에서 전체 균일하지 않은 침하가 발생하는 경우 처짐 계산 방법 (공식 (3) 참조) 에 따라 침하 변형을 대략적으로 계산할 수 있습니다.
지질 재해 조사 및 모니터링 기술 방법 논문집
여기서 ε 1 과 ε2 는 각각 구조의 맨 위와 맨 아래에 놓인 두 광섬유의 변형이고, D 는 두 광섬유 사이의 거리입니다.
또한 수치 시뮬레이션 기술과 결합하여 변형 계산을 수행할 수 있습니다. 광섬유의 변형은 수치 계산의 경계 조건이나 알려진 조건으로 사용할 수 있으며 유한 요소 또는 유한 차이 계산 방법을 통해 구조의 다른 부분에 대한 다양한 변형을 얻을 수 있습니다.
결론적으로, 터널 변형에서 변형으로의 계산은 종종 복잡하지만, 광섬유 모니터링 네트워크를 합리적으로 배치하고 올바른 계산 방법을 사용하면 터널 변형 계산이 만족스러운 결과를 얻을 수 있다.
4 기초 구덩이 변형 모니터링
기초 구덩이 변형 모니터링은 지반 공학의 기본 문제 중 하나이며 기초 구덩이 안정성의 중요성은 자명합니다. 반년 동안 과제팀은 대량의 실내외 실험 연구를 통해 남경의 여러 깊은 기초 구덩이 공사에 BOTDR 기술을 성공적으로 적용해 매우 가치 있는 성과를 거두었다.
우리 모두 알고 있듯이, 기초 구덩이 변형의 원인은 복잡하고 다양하지만, 일반적으로 기초 구덩이 굴착으로 인한 기초 구덩이의 수평 변위와 기초 융기 때문입니다. 토압 상자, 경사관 측정 등과 같은 전통적인 모니터링 방법은 자체 감지 방식의 제한으로 인해 정확도가 낮고 부식성이 떨어지며 손실이 크며 인력 낭비와 같은 단점이 있는 경우가 많습니다. 연구를 통해 과제 팀은 BOTDR 기술을 기반으로 한 기초 구덩이 변위 모니터링 특허 분산 광섬유 감지 시스템 (분산 광섬유 감지 스마트 경사계) 을 성공적으로 개발했습니다.
그림 5 기초 구덩이 변위 모니터링 분산 광섬유 감지 시스템
그림 5 에서 볼 수 있듯이 이 센서는 기존 경사계 장비와 고급 BOTDR 기술을 결합하여 개발되었습니다. 전통적인 경사계 장치를 적용하는 목적은 1 경사계가 토양의 변형을 이상적으로 반영하는 좋은 재료라는 것이다. (2) 경사 튜브 자체에는 홈이 있으며 인공 홈붙이가 필요하지 않습니다. (3) 이 재료는 기초 구덩이에서 일반적으로 사용되는 모니터링 재료로 편리하고, 쉽게 구할 수 있으며, 경제적이다. (4) 기존 모니터링 방법과 일치하는 재료를 사용하여 신구 기술을 쉽게 비교할 수 있습니다. 간단히 말해서, 시스템의 구성은 광섬유를 일정한 시공 공예에 따라 실내외 실험과 엔지니어링 실습을 거쳐 검증된 전용 접착제로 경사관에 붙여 감지 시스템을 형성하는 것입니다. 이를 분산 광섬유 감지 스마트 경사관이라고 합니다. 이 센서는 분산 광섬유 센서의 모든 장점을 가지고 있으며 준 실시간 모니터링에 사용할 수 있습니다.
BOTDR 기술을 활용하는 분산 광섬유 센서를 통해 얻은 모니터링 결과는 축 방향 물리적 정보 (변형, 온도 등) 입니다. ) 광섬유 센서를 따라. 따라서 광섬유 센서를 사용하여 기초 구덩이의 수평 변형을 얻는 방법이 문제의 핵심이 됩니다. 연구를 거쳐 처짐을 계산하여 기초 구덩이의 수평 변형을 대략적으로 계산하였다.
재료 역학의 지식에 따르면, 연선 각 점의 처짐은 하식으로 계산될 수 있다.
지질 재해 조사 및 모니터링 기술 방법 논문집
여기서: X 는 측정 중인 점 광섬유의 실측 변형으로, 그 값은 경사계 양쪽의 두 광섬유의 변형률 차이이다. D 는 경사계의 양쪽에 부착 된 광섬유 사이의 거리입니다. 적분의 시작점은 더 깊은 비변형점이고, v(x) 는 각 점의 처짐으로, 기초 구덩이의 수평 변형으로 대략적으로 간주될 수 있다.
5 연속 철근 콘크리트 포장 검사
연속 철근 콘크리트 포장 (CRCP) 은 이음새가 완전히 생략된 연속 콘크리트 슬래브로 이음새로, 이음새로 인한 진동과 소음을 줄이거나 편평도와 운전의 편안함을 높이는 데 사용됩니다. 이러한 고성능 포장 구조물의 경우 도로의 철근 응력 상태, 콘크리트 응력 상태 및 균열 분포가 포장 성능을 반영하는 주요 요소입니다 [8.9]. BOTDR 이라는 우수한 무손실 감지 기술을 적용해 CRCP 도로의 철근과 콘크리트 응력 및 포장 균열 모니터링에 큰 의미가 있습니다.
그림 6 은 연속 철근 콘크리트 도로에서 BOTDR 분산 광섬유 감지 시스템의 배치를 보여 줍니다. 노면에 1 1 뿌리 세로 철근이 있습니다. 센서 광섬유, 4 개의 온도 보정 광섬유 및 5 개의 변형 감지 광섬유가 중심을 따라 9 개의 철근 위에 대칭으로 놓여 있습니다.
그림 7 은 콘크리트를 붓고 5 일 이내에 BOTDR 에 의해 감지된 판 표면의 콘크리트 변형 변화를 보여줍니다. 그림에서 우리는 도로의 세로 표면을 따라 콘크리트 변형의 분포를 명확하게 볼 수 있으며, 최대 인장 변형의 위치에 따라 도로에서 균열이 발생할 수 있는 위치를 예측할 수 있습니다. 그림과 같이 균열은 79m 에서 가장 쉽게 나타납니다.
그림 6 광섬유 감지 시스템 레이아웃
그림 7 슬래브 표면의 콘크리트 변형 분포
그림 8 은 콘크리트를 붓고 5 일 이내에 BOTDR 에 의해 감지된 보강 철근 변형의 변화를 보여 줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 철근의 변형은 도로를 따라 세로로 분포되어 있다. 콘크리트가 경화되는 동안 철근 변형은 균일하지 않다. 철근 변형의 지속적인 모니터링은 포장 성능을 예측하는 데 도움이됩니다.
실험 결과에 따르면 BOTDR 분산 광섬유 감지 시스템은 연속 철근 콘크리트 포장 패널에서 철근 및 콘크리트의 변형을 온라인으로 효과적으로 감지할 수 있습니다. 이는 BOTDR 이 도로 패널, 브리지 패널 등 유사한 엔지니어링에서 좋은 적용성과 광범위한 응용 가능성을 가지고 있음을 보여줍니다.
6 결론
분산 광섬유 감지 기술은 중국에서 아직 초기 단계에 있다. 터널, 기초 구덩이 등 일부 분야에서 어느 정도 성공을 거두었지만, 분산 광섬유 감지 모니터링 기술 자체의 개선이라는 두 가지 측면을 포함하여 더 많은 연구가 필요합니다. 두 번째는 엔지니어링 모니터링에서 기술적 문제를 지속적으로 해결하는 것입니다. 이 기술이 발전하고 성숙함에 따라 점점 더 많은 대규모 인프라 프로젝트가 분산 모니터링 및 건강 진단을 위해 이 기술을 사용하게 될 것으로 예상되며, 그 응용 전망은 매우 광범위하고 헤아릴 수 없을 정도로 넓다.
그림 8 철근 변형 분포
참고
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