광섬유 감지 기술은 엔지니어링 측정 분야의 첨단 기술이다. 광섬유 센서는 빛을 정보 전달체로, 광섬유를 정보 전송 매체로 사용합니다. 전자기 간섭, 내식성, 감도가 높고, 응답이 빠르고, 무게가 가벼우며, 크기가 작고, 모양이 가변적이며, 전송 대역폭이 크고, 재사용 가능한 분산 측정과 같은 뛰어난 장점을 가지고 있습니다. 고층 건물, 지능형 건물, 교량, 고속도로의 온라인 동적 탐지에 널리 사용됩니다. 2006-20 10 은' 11-5' 기술 지원 프로그램 중점 프로젝트와 중국 지질조사국 지질조사 프로젝트의 지원을 받아 자주지적 재산권을 지닌 광섬유 래스터 모니터링 복조 시스템과 분산 광섬유 응변 모니터링 시스템을 개발하여 삼협 저수지 지역의 지질재해 모니터링에 적용해 좋은 효과를 거두었다.
광섬유 감지 기술은 강도, 위상, 주파수, 편광 상태 등과 같은 매개변수를 측정하여 환경 매개변수를 측정합니다. ) 광섬유에서 전송되는 빛. 분산 광섬유 감지 기술은 재사용 가능, 분산, 장거리 전송 등의 장점으로 광섬유 감지 기술 중 가장 유망한 기술 중 하나로 광섬유 감지 모니터링 기술의 발전 추세입니다. 그 중 광섬유 프라하 래스터 (FBG) 와 브릴 루앙 광 시간 영역 반사 (BOTDR) 는 가장 대표적인 분산 광섬유 감지 기술입니다.
FBG 는 준 분산 광섬유 센서입니다. FBG 에서 얻은 측정 정보는 공간에 연속적으로 분산되지는 않지만 넓은 범위의 여러 점을 동시에 모니터링할 수 있습니다. 프라하 래스터는 광섬유에서 굴절률이 주기적으로 변하는 래스터로, 주기에 따라 반사광의 파장이 다릅니다. 프라하 래스터가 있는 광섬유가 늘어나거나 압축되고 온도가 변경되면 주기가 변경되고 반사광의 파장도 변경됩니다. 반사광의 파장 변화를 측정하여 광섬유의 변형률 또는 온도 값을 알 수 있습니다. 광섬유 프라하 래스터의 측정 원리는 그림 1 에 나와 있습니다.
그림 1 파이버 격자 측정 원리
BOTDR 은 광파를 이용하여 광섬유에서 전파된 역방향 브리연 산란광의 스펙트럼과 전력 특성을 외부 환경 (온도, 응변 등) 과 관련된 특성을 주로 이용한다. ). 그림 2 는 광섬유에서 역산광의 스펙트럼 분포도이다.
그림 2 에서 볼 수 있듯이 브릴 루앙 산란에서 산란광의 주파수는 펌프 포광에 비해 브릴 루앙 주파수가 있습니다. 광섬유의 재질 특성이 온도 또는 변형의 영향을 받으면 브릴 루앙 주파수 이동이 변경됩니다. 따라서 분산 온도 및 변형률 측정은 펄스 라이트의 역방향 브릴 루앙 산란광의 주파수 이동을 측정하여 가능합니다.
그림 2 광섬유에서 역 산란광의 스펙트럼 분포
많은 이론 및 실험 연구에 따르면 주변 온도 변화가 5 C 이하일 때 광섬유 축 방향 변형과 브릴 루앙 산란광 주파수 드리프트의 관계는 다음과 같이 표현할 수 있습니다
VB(ε)= VB(O)+Cε
그 중 VB(ε) 는 광섬유 변형일 때 브릴 루앙 산란 주파수의 드리프트입니다. VB(O) 는 광섬유가 변이가 없을 때 브릴 루앙 산란 주파수의 드리프트입니다. C 는 광섬유의 변형률 계수로, 일반적으로 50MHz/μ ε입니다. ε은 광섬유의 실제 축 방향 변형입니다. BOTDR 변형률 측정 원리는 그림 3 에 나와 있습니다.
그림 3 BOTDR 변형률 측정 원리
중국 지질조사국 수문지질환경지질연구센터는 공관을 통해 지질재해 모니터링 광섬유 감지 기술 방면에서 일련의 광섬유 래스터 센서, 광섬유 모니터링 기기, 광섬유 모니터링 방법을 포함한 성과를 거두었다. 자주지적재산권을 가지고 있어 국가 중대 공사의 산사태, 사면 전개 안정, 건강모니터링에서 좋은 역할을 할 수 있다.
1) 래스터 감지 기술을 기반으로 래스터 변형 센서, 변위 센서, 래스터 강철 변형기 세 가지 유형의 래스터 센서는 자체 지적 재산권을 가지고 있으며 비슷한 수준의 성능을 제공합니다. 국내 유사 제품에 비해 경제비용이 50% 절감돼' 슬럼프 균열 모니터링 광섬유 래스터 센서' (특허 번호: ZL200820 135234.7)' 광섬유 래스터 센서' 를 받았다.
그림 4 광섬유 브래그 격자 모니터링 복조기
2) 광 파장 분할 멀티플렉싱 기술을 사용하여 광섬유 래스터 센서 어레이를 조정하고, 개발된 광섬유 래스터 모니터링 복조기 (그림 4) 는 파장 조정 범위 40nm, 조정 정확도 5pm 및 실시간 모니터링 데이터를 제공합니다. 기술 성능은 국제 동종 기술 제품 수준에 달하고, 경제 비용은 국내외 동종 제품보다 30% 낮으며, 삼협 저수지 지역의 산사태 균열 모니터링에 실질적으로 적용되었다.
3) 마이크로웨이브 전광 변조와 광학 간섭 탐지 기술을 이용하여 자주적 지적 재산권을 가진 분산 광섬유 변형 모니터링 시스템 (그림 5) 원형을 개발하다. 테스트 거리는 20km 이상, 공간 해상도는 5m, 변형률 측정 정확도는 100με, 기술 성능은 국제 유사 제품 수준에 가깝고, 경제 비용은 30% 절감되며, 삼협 저수지 지역의 산사태 모니터링에 적용됩니다.
그림 5 분산 광섬유 스트레인 모니터링 시스템
4) FBG 와 BOTDR 이 공동으로 산사태를 감시하는 응용 방법을 탐구했다. 실험에 따르면 FBG 와 BOTDR 은 공동으로 산사태를 감시하고, 전체 산사태에 모니터링 광섬유를 깔고, BOTDR 기술을 이용하여 전체 산사태에 대한 대략적인 정보를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 산사태 변형의 핵심 부분인 변형 틈새에 FBG 센서를 설치해 높은 모니터링 감도를 통해 산사태의 일부 핵심 부분에 대한 변형값을 얻을 수 있으며, BOTDR 모니터링 공간 해상도가 낮은 단점을 극복할 수 있을 뿐만 아니라 FBG 가 이산점만 측정할 수 있는 부족을 보완할 수 있습니다. 산사태 모니터링을 지점부터 선까지 수행하여 산사태에 대한 보다 완벽한 변형률 정보를 얻을 수 있습니다. (주: 번역주: 번역주: 번역주: 번역주: 번역주: 번역주: 번역주: 번역주: 번역주)
둘째, 적용 범위 및 적용 사례
FBG 센서 측정 정확도는 0.0065438 0% 에 달하며 시스템 측정 시간이 짧아 실시간 모니터링을 가능하게 합니다. 이러한 장점을 바탕으로 FBG 는 교량 및 터널의 건강 모니터링과 같은 구조 검사에 널리 사용됩니다. 지질 재해 모니터링에 사용될 경우 변형이 큰 구조물의 변형을 모니터링하는 데 주로 사용되며, 산사태 모니터링에 사용될 경우 주로 산사태 후연이나 알려진 균열의 실시간 변화를 모니터링하는 데 사용됩니다.
BOTDR 감지 기술에 사용되는 광섬유는 작고 유연하며 유연성이 뛰어나 매트릭스 성능에 영향을 주지 않고 어떤 형태로든 매트릭스 구조에 결합할 수 있습니다. 전체 테스트 광섬유의 브리연 산란 전력과 주파수를 측정하면 광섬유의 각 부분에 대한 변형률 및 온도 분포를 얻을 수 있습니다. 센서 기술 시스템의 가장 큰 장점은 광섬유가 센서 요소이자 전송 매체이며, 분산 모니터링에 속하며, 장거리, 중단없는 모니터링의 요구 사항을 충족하고 광섬유 전송 시스템과의 네트워킹을 용이하게 하며, 시스템의 원격 측정 및 제어를 가능하게 한다는 것입니다. 지질 재해 모니터링에 사용될 경우 광섬유를 신경 네트워크의 형태로 모니터링 체내에 이식하여 선에서 면까지 전체 모니터링을 할 수 있다.
잔류 산사태 모니터링에 광섬유 감지 기술 적용:
잔련 산사태는 충칭시 무산현 신현성 중심에 위치해 있으며, 하곡 비탈 지형에 속한다. "준설 하중 감소+격자 앵커+발가락 벽+지표 배수" 방안을 채택했지만, 산사태 하부에는 여전히 뚜렷한 지표 변형이 있었다. 이에 따라 2004 년 8 월에는 BOTDR 기술을 사용하여 모니터링했고, 2006 년 6 월, 10 은 주요 변형 부분에 FBG 변형 센서를 설치했습니다 (그림 6).
그림 6 그루터기 아래 분산 광섬유 네트워크 및 주요 부위인 FBG 센서 설치
BOTDR 모니터링에 따르면 (그림 7) 광섬유를 따라 네 개의 뚜렷한 고변형 이상 세그먼트가 있으며, 쌍으로 대칭 (광섬유 재생) 됩니다. C 1 예외 세그먼트는 단면 92 ~ 93 에 해당하고 C2 예외 세그먼트는 단면 142 ~ 143 에 해당합니다. 거시조사에 따르면 이 두 곳에 뚜렷한 스트레칭 균열과 전단 변형이 있고 FBG 모니터링 데이터 (그림 8) 도 변형이 계속되고 있는 것으로 나타났다. 20 10 년 5 월 현재 균열 변형 변형은 이미 642.76 μ ε에 달했다. 이렇게 하면 FBG 와 BOTDR 의 공동 모니터링을 통해 단면 방향을 따라 산사태의 변이 분포를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 주요 변형 부위에 대한 모니터링도 강화됩니다.
그림 7 그루터기 산사태의 아래쪽 BOTDR 모니터링 변이가 광섬유 분포도를 따라 분포되어 있습니다.
그림 8 시간에 따른 섬유 격자 모니터링 변형의 다이어그램
셋째, 변화 방식을 촉진한다
지질재해 광섬유 감지 기술 성과는 홍보, 회의 교류, 인력 교육, 기술 자문 등을 통해 시장 인지도를 높일 수 있다. 독립적인 지적 재산권을 가진 일련의 광섬유 래스터 센서, 광섬유 래스터 모니터링 복조기, 분산 광섬유 모니터링 시스템은 모니터링 기술 관련 제품으로 전환하여 시장에서 직접 판매할 수 있습니다. 시범공사를 통해 광섬유를 보급하여 지질재해를 감시하는 기술 방법을 보급할 수 있다.
기술 지원 단위: 중국 지질조사국 수문지질환경지질조사센터.
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