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光纤传感器用于岩土结构安全监测
浏览: 发布日期:2017-08-11


德国STFI开发的POF集成智能非织造布土工布和土工格栅
 

土工布广泛应用于堤坝、铁路、路堤、垃圾填埋场和斜坡等岩土结构的稳定和加固,集成光纤传感器可为土工布提供功能性,如通过监测机械变形、应变、温度、湿度、孔隙压力、化学物质等的变化判断岩土结构的完整性,进行岩土结构健康监测。

特别是需要在几百米到几千米的大面积区域内进行机械变形分布式测量的情况下,集成分布式光纤传感器的技术纺织品可以通过精确测量沿着光纤的分布式应变,提供该区域任何位置的岩土结构信息,从而可以确保在早期发现高失效和破坏风险的岩土结构及其位置,有利于提前防预或进行维修。

硅基光纤分布式布里渊传感器集成土工布的应用

基于光纤布拉格光栅(FBG)的光纤传感器是最早应用于土工织物的传感器。但是基于FBG的光纤传感器监测系统只能测量有限长度的准分布应变,且成本较高,不能满足长达几百米的堤坝、水坝、铁路、堤防或斜坡等岩土结构的监测需求。

为了满足大面积岩土结构监测的需求,一种基于受激布里渊散射(SBS)的布里渊光频域分析(BOFDA)技术分布式光纤传感器应运而生。迄今为止,该技术仍是分布式监测岩土结构机械变形(应变)的最佳解决方案之一。

例如,德国因受过去20多年洪灾频发的影响,开展了一项名为RIMAX(极地洪水事件风险管理)的旨在开发堤防保护智能监控系统的研究计划,并已经开发出基于BOFDA技术的低成本监测系统及以二氧化硅纤维作为分布式布里渊传感器的智能土工织物。据称,该技术可以实现对长达几公里的堤坝的机械变形和土壤位移的分布测量,因此可以提前发现堤防、水坝等大型岩土结构的失效,以防止自然灾害造成堤坝全面崩溃。

为了保证光纤传感器测量精度,光纤传感器稳定、无损伤地与土工布集成至关重要。德国开姆尼斯萨克森纺织研究所(STFI)和德国Fiberware公司为此均展开了相关研究并取得了技术突破。

另外,通过对BOFDA监测系统进一步优化,安装于波兰Solina的重力坝的光纤传感器集成智能土工织物已经证实可以应用于距离达10km的空间,并能以5m的分辨率监测机械变形。

聚合物光纤传感器集成土工布的应用

基于BOFDA技术的光纤传感器虽然已经得到了较为广泛的应用,但是在发生较大的机械变形(应变>1%)时会发生失效,且氧化硅纤维的脆性必须使用昂贵的电缆提供保护。相比之下,具有高弹性、高断裂应变和测量应变(高于40%)的聚合物光纤(POF)作为传感器在到土工织物上的集成更具优势,特别是对在小区域内具有高机械变形(如有滑坡风险的斜坡)的监测。

据报道,目前已开发出基于低成本POF的新型分布式应变传感器,并且可使用光时域反射仪(OTDR)技术监测POF中的分布应变。德国“敏感纺织结构(Sensitive textile structures)”项目(来源于德国“ZUTECH”—“未来技术”项目)和欧洲POLYTECT项目中均提及了对这一技术的研究。

POF OTDR技术是利用向POF施加应变位置处散射光的水平增加的原理实现监测功能。目前已有适用于POF的商业化OTDR设备,如Sunrise Luciol公司的光子计数OTDR装置,最大动态范围为35dB,允许测量长度大于100m的瑞利散射;德国Gl?tzl公司还开发了针对POF土工布的首个商业化分布式传感器技术GEDISE。另外,德国STFI和意大利Alpe Adria Textil等公司也已经成功开发出将POF嵌入不同类型的土工织物的技术,并成功在德国开姆尼斯市附近的铁路路堤上进行了安装和测试。

除此之外,POF OTDR传感器在监测垂直裂纹方面也非常有效,可以检测到1mm的裂纹开口和宽至20mm的裂纹。为此,欧洲POLYTECT项目已将开发用于脆弱砖石结构和历史建筑物结构监测的POF OTDR传感器作为一项重要的创新任务。希腊材料与地球结构力学研究所(IMMG)的一项测试试验已经证明,嵌入水泥基体的POF传感器可以检测到 2mm甚至小至肉眼不可见的裂纹;在意大利帕维亚的一项试验中也已经证实了POFOTDR传感器可清楚地对模拟地震裂纹进行检测和定位。

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