專(zhuān)家觀(guān)察｜利用光纖傳感技術(shù)增強基礎設施健康和安全

  作者：Douglas Clague，VIAVI光纖現場(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(xiàn)路以及其他民用設施構成了現代社會(huì )的支柱，實(shí)現了基礎服務(wù)和互連互通。確保這些基礎設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)了監測基礎設施的創(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)涉及到在基礎設施中進(jìn)行光纖集成，以實(shí)時(shí)監測各種物理參數。這些光纖能夠檢測多個(gè)事件引起的溫度、壓力或機械壓力波的變化。該項技術(shù)被稱(chēng)為“分布式光纖傳感”，其中標準單光纖可以作為長(cháng)距離、高空間分辨率的擴展傳感器，能夠覆蓋關(guān)鍵基礎設施的大片區域。

  9月11~13日CIOE光博會(huì )10號館10A55展位VIAVI將現場(chǎng)展示該方案

  光纖傳感技術(shù)的核心是光的反向散射現象，當光在光纖芯中傳播時(shí)，會(huì )與周?chē)h(huán)境發(fā)生相互作用而導致散射。

光纖傳感所利用的反向散射效應

  周?chē)锢韰档淖兓?，如壓力或溫度變化，?huì )引起光特性的細微變化，這些變化能夠被檢測并加以分析。先進(jìn)的信號處理技術(shù)允許工程師將這些變化轉換為有價(jià)值的數據，用于：

  結構健康監測：光纖傳感技術(shù)能夠對橋梁、建筑物和大壩等結構進(jìn)行連續、實(shí)時(shí)監測。壓力或溫度的任何偏差都能夠被及時(shí)檢測，在潛在問(wèn)題升級為關(guān)鍵問(wèn)題之前，向業(yè)主和設計師發(fā)出警報。

  管道監測：石油和天然氣管道以及配水系統可能出現泄漏和損壞。光纖傳感系統可以幫助進(jìn)行檢測，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，避免成本高昂的維修。

  地質(zhì)技術(shù)監測：在隧道和地下結構環(huán)境中，光纖傳感能夠針對地面移動(dòng)、沉降和其他潛在風(fēng)險提供寶貴的洞察，助力實(shí)施預警和預防措施。

  智能電網(wǎng)監測：光纖傳感越來(lái)越多地應用于電網(wǎng)，以監測輸電線(xiàn)路、變壓器和變電站。收集的數據可幫助優(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：

  成本效益：傳統的監控系統通常需要在不同的點(diǎn)位安裝多個(gè)傳感器，導致更高的安裝和維護成本。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(zhù)降低部署和運營(yíng)成本。

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

  壽命和耐用性：用于傳感的光纖和電纜非常堅固，能夠承受惡劣的環(huán)境狀況，使其成為長(cháng)期監測基礎設施的理想選擇。

  遙感：光纖傳感允許遠程監測，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地點(diǎn)的人身風(fēng)險。

  可擴展性：該技術(shù)具有可擴展性，能夠適應同時(shí)監控各種參數，為復雜的基礎設施系統提供全面的監控解決方案。

  分布式光纖傳感具備廣泛的功能，支持對基礎設施健康至關(guān)重要的各種物理參數進(jìn)行監測。在基礎設施監測中使用的三種主要類(lèi)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(zhù)影響管道、電力電纜和電氣設備等基礎設施的結構完整性。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來(lái)加以測量。該方法允許沿光纖的整個(gè)長(cháng)度連續監測溫度曲線(xiàn)，提供可能影響基礎設施性能的潛在熱點(diǎn)或溫度變化的寶貴數據。

  壓力傳感：對機械載荷產(chǎn)生的壓力進(jìn)行監測對于評估土木工程資產(chǎn)的健康狀況至關(guān)重要。分布式應變傳感(DSS)依賴(lài)的原理是對施加到光纖上的機械壓力所引起的光頻率細微變化進(jìn)行測量。該技術(shù)允許工程師檢測變形、裂紋或過(guò)度載荷，有助于防止災難性故障并延長(cháng)關(guān)鍵結構的壽命。

  聲學(xué)傳感：分布式聲學(xué)傳感(DAS)是一種前沿技術(shù)，能夠檢測和定位聲擾動(dòng)和振動(dòng)。通過(guò)分析機械壓力波引起的光散射變化，DAS將光纖轉變?yōu)榉植荚趶V闊區域的數千個(gè)虛擬傳聲器陣列。這種能力對于監測大型基礎設施網(wǎng)絡(luò )(如管道或鐵路)特別有用，因為它能夠檢測潛在泄漏、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(lèi)型的光纖傳感技術(shù)相結合不僅為基礎設施的監控提供了全面的解決方案，而且為集成化和智能化系統開(kāi)辟了新的可能性，從而適應我們復雜且相互鏈接的現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)鍵基礎設施的安全性、效率和可靠性，確?？沙掷m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)鍵基礎設施的集成化實(shí)時(shí)資產(chǎn)監控和分析解決方案。

  該解決方案利用上述三種傳感技術(shù)，提供運營(yíng)商在優(yōu)化操作、預防故障、避免意外停機或快速識別和定位基礎設施威脅方面所需要的關(guān)鍵智能。

  使用遠程光纖測試頭(FTH)(通常稱(chēng)為詢(xún)問(wèn)器)來(lái)監測光纖電纜或光纖支持的基礎設施，NITRO光纖傳感可以測量光纖沿線(xiàn)的溫度和應變，或實(shí)時(shí)檢測光纖附近的聲振動(dòng)。FTH部署在戰略位置，包括電力電纜和管道沿線(xiàn)，提供寶貴的基礎設施健康數據，這些數據能夠用于促進(jìn)主動(dòng)維護和防止停機，向運營(yíng)商發(fā)出警報，告知來(lái)自人類(lèi)干擾、車(chē)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。這些警報包括精確的位置信息，可以助力維護、響應或維修團隊。

  結論

  隨著(zhù)光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和逐漸融入到基礎設施監測實(shí)踐中，這無(wú)疑將在保護我們的關(guān)鍵基礎設施方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，為工程師和決策者提供了必要的工具，以積極應對挑戰，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光纖現場(chǎng)解決方案營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

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