專家觀察｜利用光纖傳感技術(shù)增強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施健康和安全

  作者：Douglas Clague，VIAVI光纖現(xiàn)場(chǎng)解決方案市場(chǎng)經(jīng)理

  橋梁、隧道、管道、電信網(wǎng)絡(luò)、輸電線路以及其他民用設(shè)施構(gòu)成了現(xiàn)代社會(huì)的支柱，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)服務(wù)和互連互通。確保這些基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和完整性至關(guān)重要。技術(shù)進(jìn)步正好帶來(lái)了監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)新解決方案，而光纖傳感技術(shù)正在該領(lǐng)域的掀起顛覆式的創(chuàng)新。

  光纖傳感技術(shù)涉及到在基礎(chǔ)設(shè)施中進(jìn)行光纖集成，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種物理參數(shù)。這些光纖能夠檢測(cè)多個(gè)事件引起的溫度、壓力或機(jī)械壓力波的變化。該項(xiàng)技術(shù)被稱為“分布式光纖傳感”，其中標(biāo)準(zhǔn)單光纖可以作為長(zhǎng)距離、高空間分辨率的擴(kuò)展傳感器，能夠覆蓋關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的大片區(qū)域。

  9月11~13日CIOE光博會(huì)10號(hào)館10A55展位VIAVI將現(xiàn)場(chǎng)展示該方案

  光纖傳感技術(shù)的核心是光的反向散射現(xiàn)象，當(dāng)光在光纖芯中傳播時(shí)，會(huì)與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用而導(dǎo)致散射。

光纖傳感所利用的反向散射效應(yīng)

  周圍物理參數(shù)的變化，如壓力或溫度變化，會(huì)引起光特性的細(xì)微變化，這些變化能夠被檢測(cè)并加以分析。先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)允許工程師將這些變化轉(zhuǎn)換為有價(jià)值的數(shù)據(jù)，用于：

  結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)：光纖傳感技術(shù)能夠?qū)蛄?、建筑物和大壩等結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。壓力或溫度的任何偏差都能夠被及時(shí)檢測(cè)，在潛在問(wèn)題升級(jí)為關(guān)鍵問(wèn)題之前，向業(yè)主和設(shè)計(jì)師發(fā)出警報(bào)。

  管道監(jiān)測(cè)：石油和天然氣管道以及配水系統(tǒng)可能出現(xiàn)泄漏和損壞。光纖傳感系統(tǒng)可以幫助進(jìn)行檢測(cè)，并且，最重要的是定位泄漏、地面移動(dòng)或外部第三方干擾，從而降低事故風(fēng)險(xiǎn)，避免成本高昂的維修。

  地質(zhì)技術(shù)監(jiān)測(cè)：在隧道和地下結(jié)構(gòu)環(huán)境中，光纖傳感能夠針對(duì)地面移動(dòng)、沉降和其他潛在風(fēng)險(xiǎn)提供寶貴的洞察，助力實(shí)施預(yù)警和預(yù)防措施。

  智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)：光纖傳感越來(lái)越多地應(yīng)用于電網(wǎng)，以監(jiān)測(cè)輸電線路、變壓器和變電站。收集的數(shù)據(jù)可幫助優(yōu)化電能分配，并提高電網(wǎng)可靠性。

  分布式光纖傳感具有以下優(yōu)勢(shì)：

  成本效益：傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)通常需要在不同的點(diǎn)位安裝多個(gè)傳感器，導(dǎo)致更高的安裝和維護(hù)成本。另一方面，分布式光纖傳感使用單光纖，覆蓋面積大，可以顯著降低部署和運(yùn)營(yíng)成本。

  主動(dòng)維護(hù)：分布式光纖傳感提供涉及任何變化或異常的及時(shí)信息，允許對(duì)潛在問(wèn)題或威脅作出早期響應(yīng)。

  壽命和耐用性：用于傳感的光纖和電纜非常堅(jiān)固，能夠承受惡劣的環(huán)境狀況，使其成為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施的理想選擇。

  遙感：光纖傳感允許遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，減少了實(shí)地檢查的需要，并最大限度地降低了暴露在危險(xiǎn)地點(diǎn)的人身風(fēng)險(xiǎn)。

  可擴(kuò)展性：該技術(shù)具有可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)同時(shí)監(jiān)控各種參數(shù)，為復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)提供全面的監(jiān)控解決方案。

  分布式光纖傳感具備廣泛的功能，支持對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施健康至關(guān)重要的各種物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)中使用的三種主要類型的光纖傳感主要包括溫度、壓力和聲學(xué)傳感。

  溫度傳感：溫度異常和過(guò)熱會(huì)顯著影響管道、電力電纜和電氣設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)完整性。分布式溫度傳感(DTS)使用的原理是將反向散射光頻率或功率的變化視為溫度函數(shù)來(lái)加以測(cè)量。該方法允許沿光纖的整個(gè)長(zhǎng)度連續(xù)監(jiān)測(cè)溫度曲線，提供可能影響基礎(chǔ)設(shè)施性能的潛在熱點(diǎn)或溫度變化的寶貴數(shù)據(jù)。

  壓力傳感：對(duì)機(jī)械載荷產(chǎn)生的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)于評(píng)估土木工程資產(chǎn)的健康狀況至關(guān)重要。分布式應(yīng)變傳感(DSS)依賴的原理是對(duì)施加到光纖上的機(jī)械壓力所引起的光頻率細(xì)微變化進(jìn)行測(cè)量。該技術(shù)允許工程師檢測(cè)變形、裂紋或過(guò)度載荷，有助于防止災(zāi)難性故障并延長(zhǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的壽命。

  聲學(xué)傳感：分布式聲學(xué)傳感(DAS)是一種前沿技術(shù)，能夠檢測(cè)和定位聲擾動(dòng)和振動(dòng)。通過(guò)分析機(jī)械壓力波引起的光散射變化，DAS將光纖轉(zhuǎn)變?yōu)榉植荚趶V闊區(qū)域的數(shù)千個(gè)虛擬傳聲器陣列。這種能力對(duì)于監(jiān)測(cè)大型基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)(如管道或鐵路)特別有用，因?yàn)樗軌驒z測(cè)潛在泄漏、第三方入侵和干擾，甚至地震事件引起的地面移動(dòng)。

  這些不同類型的光纖傳感技術(shù)相結(jié)合不僅為基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控提供了全面的解決方案，而且為集成化和智能化系統(tǒng)開辟了新的可能性，從而適應(yīng)我們復(fù)雜且相互鏈接的現(xiàn)代世界種不斷變化的需求。借助光纖傳感技術(shù)的力量，我們可以提高關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、效率和可靠性，確?？沙掷m(xù)和有彈性的未來(lái)。

  NITRO光纖傳感簡(jiǎn)介

  VIAVI最近推出了NITRO光纖傳感，這是一種用于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的集成化實(shí)時(shí)資產(chǎn)監(jiān)控和分析解決方案。

  該解決方案利用上述三種傳感技術(shù)，提供運(yùn)營(yíng)商在優(yōu)化操作、預(yù)防故障、避免意外停機(jī)或快速識(shí)別和定位基礎(chǔ)設(shè)施威脅方面所需要的關(guān)鍵智能。

  使用遠(yuǎn)程光纖測(cè)試頭(FTH)(通常稱為詢問(wèn)器)來(lái)監(jiān)測(cè)光纖電纜或光纖支持的基礎(chǔ)設(shè)施，NITRO光纖傳感可以測(cè)量光纖沿線的溫度和應(yīng)變，或?qū)崟r(shí)檢測(cè)光纖附近的聲振動(dòng)。FTH部署在戰(zhàn)略位置，包括電力電纜和管道沿線，提供寶貴的基礎(chǔ)設(shè)施健康數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠用于促進(jìn)主動(dòng)維護(hù)和防止停機(jī)，向運(yùn)營(yíng)商發(fā)出警報(bào)，告知來(lái)自人類干擾、車輛移動(dòng)、挖掘作業(yè)、漁網(wǎng)或船錨侵入重要資產(chǎn)等潛在威脅。這些警報(bào)包括精確的位置信息，可以助力維護(hù)、響應(yīng)或維修團(tuán)隊(duì)。

  結(jié)論

  隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和逐漸融入到基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)實(shí)踐中，這無(wú)疑將在保護(hù)我們的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，為工程師和決策者提供了必要的工具，以積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，并為更具彈性的未來(lái)做出明智的決策。

  關(guān)于作者：Douglas Clague

  VIAVI光纖現(xiàn)場(chǎng)解決方案營(yíng)銷經(jīng)理

  Doug在測(cè)試和測(cè)量方面擁有20多年的經(jīng)驗(yàn)，主要專注于電信行業(yè)的光纖和電纜技術(shù)。在加入VIAVI之前，Doug擔(dān)任制造工程師、解決方案工程師和業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理。Doug參加過(guò)許多有關(guān)光纖和電纜技術(shù)趨勢(shì)的行業(yè)研討會(huì)。他曾就讀倫敦布魯內(nèi)爾大學(xué)，獲得了電氣和電子工程榮譽(yù)學(xué)位。