南京大学光电传感工程监测中心

南京大学光电传感工程监测中心CenterforEngineeringMonitoringwithOpto-ElectronicSensing(CEMOES)江苏·南京Copyright©2005CEMOES.Allrightsreserved.中心简介南京大学光电传感工程监测中心，是在原南京大学地球环境计算工程研究所分布式光纤实验室的基础上成立的,是我国第一个以分布式光电传感监测技术为核心的工程监测和健康诊断研究中心。中心在国家杰出青年科学基金、国家教育部重点项目和南京大学“985”项目的联合资助下，围绕光电传感尖端技术－布里渊光时域反射计（BOTDR）、拉曼分布式温度传感技术(ROTDR)、布喇格光纤光栅（FBG）传感技术和长标距光纤变形传感技术（LONG-GAGE,SOFO）等，从应用源头上研发监测设备和专利技术,探索分布式光电传感技术应用于各类工程安全监测中的有效方法，建立针对不同工程建设质量和安全运行特点的健康诊断和评估系统，从而提高我国整个工程界的监测水平。团队宣言中心致力于将先进的光电传感技术应用于隧道、大坝、桥梁、地铁、铁路、高速公路路基、滑坡、深基坑、桩基础、锚杆（索）、钢及混泥土结构、堤防、油气管线、大型储罐等工程设施和结构的智能监测、灾害预警、健康诊断和安全评估。提供从工程的可行性分析、监测系统的设计、计划安排、传感光缆的铺设、系统的安装和应用、测量、数据分析、处理和评价等一系列完善的服务工程技术服务，解决各类技术问题。中心以创新作为发展的灵魂，踏实作为工作的作风、团结作为事业的保障，向着“立足江苏、面向全国、角逐世界”的目标，稳步前进。合作研究和成果中心自成立以来，先后与日本横河公司、加拿大渥太华大学、ISIS、瑞士SMARTEC、美国自然科学基金委（NSF）、美国伊利诺斯大学等多个国外科研机构建立了长期的合作关系,开展了广泛的学术交流和科研合作，取得了一系列成果，其中具专利性成果5项，在国内外重要刊物上发表论文30余篇，承担各类科研项目和课题十余项,如南京市鼓楼隧道、玄武湖隧道、广东河源高速公路滑坡监测、等多项重大工程的远程分布式光电传感应变监测工程，取得了显著的社会、经济和工程效益，已引起了国内外同行的广泛关注。-1-中心研究团队中心主任简介施斌,男，1961年10月生，江苏海门人，博士，教授，博士生导师，南京大学光电传感工程监测中心主任、南京大学地球环境计算工程研究所副所长，地质工程教研室主任，国家杰出青年科学基金获得者，长期从事工程地质和环境岩土工程研究。已发表论著100余篇，其中被SCI收录的论文12篇，EI收录的论文20余篇，ISTP收录的论文8篇，CSCD收录论文60余篇，发表分布式光电传感监测技术论文近20篇。主持国家、省部级和地方项目20余项，成果获省部级科学技术进步二等奖一次，三等奖二次，十余次受到省部级有关部门、学会和所在学校的学术表彰和奖励。学术兼职有：国际环境岩土工程协会副主席（负责亚洲区），国际工程地质协会（IAEG）会员，中国地质灾害研究会滑坡崩塌专业委员会委员，中国地质学会工程地质专业委员会委员，教育部高等学校地矿学科教学指导委员会地质工程专业教学指导分委员会委员,成都理工大学地质灾害防治四川省重点实验室学术委员会委员,《水文地质工程地质》、《防灾减灾学报》等杂志编委等。先后在俄罗斯盐业设计院（1992）、俄罗斯圣彼得堡大学（1993）、日本地质调查所（1996-1997）、美国麻省大学（1997）、香港大学（1999）、美国斯坦福大学（2000）、巴西矿业大学（2000）、台湾大学（2000）、日本茨城大学（2001）、日本大学（2002）、韩国中央大学（2002）、美国北卡罗莱纳大学（2002-2003），芬兰国家环境研究所（2004）、英国格拉斯哥大学（2004）等国家和地区做高级访问学者、讲学、科研合作或参加国际学术会议。技术力量中心形成了一支知识结构合理和特别能战斗的中青年研究开发群体，技术力量雄厚。中心现有教授2名,副教授4名,讲师2名,博士后2人，博士研究生14人,硕士研究生14人。并聘请了多位国内外光电传感领域知名学者作为中心国际学术委员会的成员。-2-光纤传感技术光纤传感是一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，对光纤中传播的光波实施调制。光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理（解调）来进行检测，测量光参量的变化－即“感知”外界信号的变化。与普通的机械、电子类传感器相比，光纤传感器具有以下几方面的优点：（1）灵敏度高、动态范围大；（2）抗电磁干扰；（3）电绝缘性好。光纤本事是电绝缘的介质组成，且其敏感元件也多是由电绝缘材料做成；（4）耐高温、抗腐蚀，化学性能稳定，能在较恶劣的环境中使用；（5）安全性能好，具有本质安全的特点，尤其适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产环境中使用；（6）几何形状可塑，适应性强。既可埋入复合材料内，也可粘贴在材料的表面，与待测材料有着良好的相容性；（7）传输损耗小，可实现长距离检测；（8）测量范围广，可测量温度、压强、应力、应变、流速、流量、电流、电压、液位、气体成分、多相流流动剖面等物理量。另外，还具有频带宽、高速传输、可集成、能解决许多机、电传感器无法解决的技术难点问题。光纤传感器已广泛应用于医疗、交通、电力机械工业、石油化工、民用建设及航空航天等各个领域。目前，在结构健康监测与无损检测中昀具应用前景的主要有布里渊光时域反射（BOTDR）分布式传感技术、光纤布喇格光栅（FBG）准分布式传感技术、长标距（LONG-GAGE）光纤变形传感技术和分布光纤温度传感器（DTS）系统。本研究中心目前正致力于这四种传感技术的研究和应用，近年来，在理论、试验研究和工程应用中都取得了大量的研究成果，在国内同行业中处于领先地位。图3.1各种传感技术示意图BOTDR分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术是光纤传感技术中昀具前途的技术之一，是适应大型工程安全监测而发展起来的一项传感技术，它应用光纤几何上的一维特性进行测量，把被测参量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量变化进行连续的测量，同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息。分布式光纤传感器除了具有光纤传感器所固有的抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小、重量轻等优点，而且还具有如下基本特征：(1)光纤集传感和传输于一身，光纤上任意一段既是敏感单元又是其它敏感单元的信息传输通道，可进行空间上的连续检测；（2）一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，如果将光纤布设成网状，就可以得到被测量的二维和三维分布情况。-3-‹BOTDR的测量原理布里渊光时域反射计(BOTDR)是通过检测光纤中反向散射的自发布里渊散射光来实施监测的。BOTDR的应变测量原理如图所示。BOTDR的测量原理与OTDR（OpticalTime-DomainReflectometer）技术很相似,脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入BOTDR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布，如上图所示。发生散射的位置至脉冲光的入射端，即至BOTDR的距离Z可以通过计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图，如上图C所示，理论上布里渊背散光谱为洛伦滋形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移νBOTDR的应变测量原理图B。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。BBB‹BOTDR的主要技术性能指标和特点与常规的监测技术原理不同，BOTDR具有分布式、长距离、耐久性长等特点，能做到对大型基础工程设施的每一个部位象人的神经系统一样进行感知和远程监测和监控。这一技术的应用和研发，将对现有的传统监测技术产生重要影响，对我国各类重大基础工程建设，如长江大桥，地下铁路和隧道、高速公路、西气东运管道、地下停车场、长江堤防等安全监测和健康诊断具有重大的现实意义。AQ8603应变分析仪外观AQ8603的主要技术性能指标测量范围(km)1，2，5，10，20，40，80空间采样间隔(m)1.00，0.50，0.20，0.10，0.05空间定位精度(m)±(2.0×10－5×测量范围(m)＋0.2m＋2×距离采样间隔(m))应变测量范围－1.5％～1.5％（15,000μm）102050100200脉冲宽度(ns)1251122空间分解度(m)应变测量精度*±0.004％(40με)±0.003％(30με)重复性*0.04％0.02％*测量条件：平均次数214，频率扫描间隔10MHz-4-分布式光纤温度传感器系统分布式光纤温度传感器（DTS）系统是集光、机、电、计算机、弱信号检测为一体的高科技产品，是一种用于实时温度场监控的高新技术，可广泛的应用于火灾报警、过程监控、油、气、液体的泄漏检测、故障诊断、堤岸和大坝的渗漏和温度检测等领域等方面，市场前景远大。‹原理该技术主要依据光纤的背向拉曼散射温度效应和光时域反射技术（OTDR）来实施监测的。脉冲光射入光纤内部，光子与光纤材料分子在内部相互作用，产生背向拉曼散射，一部分光被反射回来，反射光携带着被散射光子运动的热信息。因此，通过对背向散射光的检测和光谱分析，就可以得到沿光纤每一点的温度信息。将一条数公里乃至数十公里长的光纤（缆）铺设待测空间，就可连续测量、准确定位整条光纤（缆）所处空间内的温度场分布，并可通过光纤上的温度的变化，检测出光纤所处环境中气体和液体的泄漏以及火灾险情的发生。‹主要技术性能指标和特点技术性能指标：测量长度昀长2Km昀长8Km昀长15Km空间分辨率0.5m0,25m(标准1m)5m温度精度+1C0+0,3C0+1C0温度分辨率1C0000,1C1C采样时间5min1min5min特点：安装简便光纤（缆）本身不带电，抗射频和电磁干扰，防燃，防爆，抗腐蚀，耐高温和强电磁场，耐电离辐射，能在有害环境中安全运行；可长期进行实时温度监测，将报警区域、光纤（缆）配置图等信息输入计算机，可自动或手动实时显示、打印和存贮报警区域、故障性质、温度的传播方向、升温速度和温度分布等；自动控制和远程控制运行，并通过Email或电话发出预警和警报。-5-FBG准分布式光纤传感技术准分布式光纤传感器是由多个布置在空间预知位置上的分立的光纤传感器采用串联或其他网络结构形式连接起来，利用时分复用、频分复用、波分复用等技术共用一个或多个信息传输通道所构成的分布式的网络系统。用于结构监测时，FBG传感器的昀大优势是它可以实现应力与温度的准分布式测量，也就是将具有不同栅距Λ的布喇格光栅间隔地制作在同一根光纤上，就可以用同一根光纤复用多个FBG传感器，实现对待测结构定点的分布式的测量。由于该复用系统中每一个FBG传感器的位置与Bλ都是确定的，分别对它们的波长移动量λΔ进行检测，就可以准确地对各FBG传感器所在处的扰动信息进行监测。综合所有FBG传感器采集的信息，还可以得到沿光纤轴向的应变场或温度场的分布状态。MicronOptics布拉格光栅仪‹光纤光栅传感器的优点FBG传感器较之其他原理的传感器具有许多不可替代的突出优越性：潜在的低成本；复用能力强，便于构成各种形式的光纤光栅传感网络，可进行大面积的多点测量；传感头结构简单、尺寸小(标准裸光纤为125m　)、重量轻使它具有了可掩埋性；可同时测量多项参数；抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作；测量结果具有良好的重复性；耐温性好(工作温度上限可达400℃－