徐琳 史同利
烟台光基物联网科技有限公司 山东 烟台 264006
摘要：本文基于对水电工程安全监测领域中光纤传感技术应用分析，分析了光纤传感技术的基本原理，并对光纤传感技应用于坝体温度及渗漏监测、边坡变形及坝体裂缝监测、坝体沉降及面板挠度监测等方面的应用做了详细的阐述，以期为水电工程安全监测以及工程建设提供可靠的依据。
关键词：水电工程；安全监测；光纤传感技术
在光纤中，其传输的光波可用公式进行描述，即E=E0cos（ ），其中，E表示强度，E0表示光波振幅， 表示频率， 表示初相角，t表示时间。在各个公式中，包含了5个基本参数，及强度、波长、相位、频率、偏振态等。而光纤传感技术则是在解调外界信号的基础上，通过扰动光纤中传输光波的基本参数，来获取所需要的相关检测信息。根据不同调制的光波参数，可将光纤传感器技术分为五种类型，即偏振调制、颜色或者波长调制、频率调制以及强度调制等。
1、水电工程安全监测领域中光纤传感技术的应用
1.1应用于坝体温度及渗漏监测
1）监测温度。在光纤中，光的传输能够形成拉曼散射，即将脉冲光注入光纤中之后，它的传输就能逐渐形成散射后向光波，而光纤沿线散射点所处的温度，则能对这些光波的状态产生一定的影响，从而发生相应的改变，系统处理这些散射回的光之后，就能将光纤沿线所测量到的信息进行实时显示。而光纤中传输光波的速度以及入射和反射光波之间的时间差等，能够用以光纤沿线所测信息的准确定位。
2）监测渗漏。在水电工程安全监测的过程中，如果坝体存在渗漏情况，其内部的温度就会出现局部异常的现象，因而通过测量坝体内部的温度，就能对坝体的渗漏进行相应的监测。监测渗漏的原理与温度监测一致。在实际监测的过程中，为了使得监测的渗漏处更加显著，则可以将加热装置增设到光缆中，这样就能凸显出温度分布的差异，从而有利于观察和判断。
1.2应用于边坡变形及坝体裂缝监测
1）监测裂缝。一般情况下，光纤传感器的相关信息主要是通过光时域反射仪来进行有效的获取，其本质上指的是传感器通过对信号的调制和解调，就能将空间上内测参数的变化情况准确的反应出来。在监测裂缝的过程中，该技术的原理主要为：在开裂的工程结构中埋入一定的光缆，裂缝与光缆之间形成特定的角度，在剪切拉伸来的影响下，裂缝中的光缆就能生成挠曲或者微弯，从而导致损耗局部高光。而利用光时域反射技术，就能将沿程损耗的光进行准确的探知，并准确获取对应光缆长度铺设的沿程光损，这样就能对光损异常的位置加以分析，从而判断裂缝是否会引起光损异常。
2）监测边坡边形。在常规监测库区滑坡以及高边坡深部变形的过程中，一般使用的仪器为钻孔倾斜仪，电信号为其监测信号，属于点式测量，容易受到干扰，且获取的信息量相对有限，因而不能达到自动化监测的目的。而采用光纤传感技术，则能有效的弥补异常缺点，它是基于微弯损耗光模式调制光强度的机理，当某一部位出现变形时，光缆相交于滑移面的部位就会出现变形，并生成微弯，并增加光强衰减，从而达到定位监测的目的。
1.3应用于坝体沉降及面板挠度监测
1）监测面板扰度。在光线传感器中，具有敏感角速率的为光纤陀螺，实质上其为一种环形干涉仪，基于萨格纳克效应。通过适宜光源将光波发出，经过耦合器耦合分光之后，就能进入到一个多匝光纤线圈的两侧，并沿着逆时针或者顺时针的光路进行传播，而由两端传播出去的光，又会通过耦合器传回探测器。
与惯性空间相对的光纤陀螺处于静止状态时，沿相反方向传输的光波在光纤线圈内经过了相同的光程，因而光程差为0；而与惯性空间相对的光纤陀螺的转动处于一定转速时，则其经过的路程不同，即存在光程差。因而光纤陀螺可应用于测量面板扰度。
2）监测坝体沉降。在对坝体沉降进行监测的过程中，一般采用的传统的水管式沉降仪，该仪器在使用的过程中会大幅增加官长，且测量的速度以及精度等，均会受到一定程度的限制，同时其测量的可靠性也有一定的影响。而采用光纤传感技术进行测量，通过对其特定高程的轨道采用光纤陀螺进行测量，则能有效的监测其沉降变形的情况。
2、在电力行业安全监测中的应用
2.1电力设备安防监测
现有的大多数电力设备安防监控系统主要是视频监控系统及安全人员定期巡查，由于摄像机的照射范围的局限性及人力巡检的固有缺点，不能完全解决安全漏洞。分布式光纤振动传感器能实时感应周围压力、振动等情况，通过光谱相位的变化和信号转换，根据系统分析的结果，能判断入侵事件发生，并确认入侵地点。同时通过建立光缆线路环境特征参数数据模型和告警监测阈值模型，降低监测告警的虚警率。将分布式振动光纤传感技术用于无人值守变电站、输电杆塔、电厂以及风机等重要场所或关键位置的智能安全警戒，监测工作将从单纯的物理隔绝上升到智能手段，实现对人员非法入侵的报警和监视，有效提高周界防入侵的效率。同时，还可监测高压电缆上方的振动信号，根据实时监测值显示报警状态，对故障点进行定位，提高管理人员对警情的处理效率。
2.2输电线路安全监测
输电线路是电网运行的命脉，任何外力的破坏，都有可能造成大面积停电，甚至电网瓦解。外力破坏（如盗窃、施工）、环境污染、自然灾害一直是威胁电网安全的重大隐患，并有不断增加的趋势。目前，电网企业还缺乏有效的防范手段和措施。利用光纤传感技术对输电线路进行安全监控，解决了输电干线远程长距离和无法进行无源定位的难题，只需沿输电线路布设的一条光纤单芯光缆，通过对输电线路上发生的触碰（或刮擦）光缆、接头盒、光芯等扰动的实时监测，采集和分析信息，判定扰动发生的位置、类型、强度，以帮助线路维护人员及时发现输电线路的破坏行为，有效解决对线路损毁的预警监测，为安保人员提供告警、智能分析和辅助决策支持。江西省电力公司“基于光纤传感技术的输电线路无源在线监测系统”已在九江110kV妙星线成功应用，实现对输电线路覆冰、舞动、温度及杆塔状态的实时监测。
2.3设备温度监测
电力系统中的电缆、开关柜、变压器等高压电气设备大多处于强磁场、高电压、大电流的环境中，传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃、易爆环境或腐蚀性环境中工作，对于采用点式温度传感器实现温度的分布测量还存在难于安装、难于布线、难于维护的问题。光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、绝缘不产生电火花以及可以实现分布式、实时监测等优点，分布式光纤温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高、误差小，可广泛应用于电力设备温度监测各种场合，解决许多特殊场合下其它传感器难以胜任的测量难题。主要应用有：（1）地下和架空电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控。（2）高压配电装置内易发热部位的监测。（3）发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统。（4）各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断。（5）火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测，地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等。（6）电力设备及周边环境火警监测预警。
3、总结
综上所述，通过对水电工程安全监测领域中光纤传感技术的应用分析，对光纤传感技术的原理做了简要的阐述，并对其在坝体温度及渗漏监测、边坡变形及坝体裂缝监测、坝体沉降及面板挠度监测的应用原理做了详细的阐述。
参考文献：
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