雖然光纖傳感器已經(jīng)發(fā)展了30年，但是在實(shí)驗室實(shí)驗和現場(chǎng)應用之間還存在著(zhù)一定的差距。本文著(zhù)重介紹了評估整個(gè)傳感鏈的具體方法，重點(diǎn)是（i）商用光電儀器和（ii）傳感電纜。對于成功的現場(chǎng)應用程序，必須考慮這兩種方法成功配對的其他一些考慮因素。本文對這些問(wèn)題進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，并結合堤防滲漏檢測和混凝土結構監測的實(shí)際應用進(jìn)行了說(shuō)明，利用基于rayleigh、raman和brillouin散射的分布式溫度和應變傳感技術(shù)，實(shí)現了堤防滲漏檢測和混凝土結構監測。小精靈。它們包括工作波長(cháng)的適當選擇、專(zhuān)用定位過(guò)程、連接器類(lèi)型的選擇，還包括在光纖傳感器附近安裝的傳統參考傳感器的有用選擇，以及應變傳感器的溫度補償。G.

大型工程結構規范，如Rion Antrion橋（希臘）或Millau高架橋（法國），現在通常包括儀器，以滿(mǎn)足監測要求，不僅在施工期間，而且允許終身結構健康監測。拖著(zhù)。

法國電力公司（edf）的潛在應用包括大壩、堤壩和電廠(chǎng)反應堆監測。andra（法國國家放射性廢物管理局）的潛在應用包括地表和深層地質(zhì)放射性廢物處置結構監測，例如，在未來(lái)的地質(zhì)處置庫中，將包含高度儀器化的處置單元。LCPC負責監督各種法國橋梁因老化而產(chǎn)生的結構病理。

控制結構的健康狀態(tài)（通常由縮寫(xiě)shm（structural health monitoring））需要大量的傳感器。對于這種應用，光纖傳感器[1]被認為是一種特殊的工具，特別是因為它們能夠實(shí)現分布式測量[2]，從而在整個(gè)結構上提供數據，而不限于傳感器位置的點(diǎn)數據。單光纖監測可以提供結構整體行為的信息，克服了傳統傳感器信息局限于局部效應的局限性。為了克服最初的失望并充分利用這些傳感器的特性，大約20年的發(fā)展是必要的[3]，其應用已經(jīng)成為最先進(jìn)的技術(shù)。

本文主要研究了結構健康監測中光纖溫度和應變分布傳感技術(shù)。在對光纖傳感技術(shù)進(jìn)行了初步總結之后，重點(diǎn)將放在分布式溫度和應變傳感器上。這將通過(guò)對兩個(gè)現場(chǎng)應用的深入描述來(lái)說(shuō)明：使用溫度分布傳感的堤防漏水檢測和通過(guò)應變和溫度監測的混凝土結構監測。盡管商用傳感器和詢(xún)問(wèn)裝置眾多，但全球測量鏈可能會(huì )給最終用戶(hù)提供令人失望的監測結果，除非考慮到一些具體因素。本文進(jìn)一步闡述了這些建議，重點(diǎn)放在實(shí)際建議上，這些建議對于從實(shí)驗室到現場(chǎng)應用的成功過(guò)渡似乎是必不可少的。

2。光纖傳感技術(shù)綜述

光纖是一種直徑約為0.1 mm的波導，它能夠在千米范圍內傳輸光。一種被稱(chēng)為單?；蚨嗄９饫w的寬陣列光纖，是在玻璃或塑料中發(fā)展起來(lái)的，具有實(shí)心或空心的芯，以非常不同的形狀封裝，以傳送可能可見(jiàn)或不可見(jiàn)的信號。如文獻[1]中所述，ofs與傳統的電子傳感器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：它們重量輕、體積?。A期無(wú)損傷）、對電磁場(chǎng)不敏感、不受金屬腐蝕（除非選擇金屬包層），并且能夠抵抗高溫。它們還可以利用非常低的衰減系數在遠距離（千米范圍內）進(jìn)行測量，多個(gè)傳感器可以在一根光纖中復用。應用范圍從材料傳感到石油勘探和生產(chǎn)監測。

在過(guò)去的三十年里，大量的ofs已經(jīng)成功商業(yè)化，基本上是基于bragg光柵和fabry-perot腔（fp），提供一個(gè)或多個(gè)局部測量[1]。這些技術(shù)需要對光纖進(jìn)行特定的局部化處理，例如局部化表面光柵，以產(chǎn)生易產(chǎn)生可測量信號的局部化敏感元件。這些ofs技術(shù)在其應用中仍然受限于它們可以提供的預定義和“點(diǎn)”性質(zhì)的數據。對于土木工程，大量這樣的“點(diǎn)狀”ofs需要被多路復用以測量真正的十進(jìn)制結構[4]。為了能夠同時(shí)測量幾十個(gè)傳感器，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種復用方案。然而，即使有上千個(gè)傳感器可用，它們的位置選擇可能是高度敏感的，并且是一個(gè)密集的研究課題。

相比之下，分布式傳感提供了一個(gè)更加通用和強大的監控工具，因為它不需要對結構行為的先驗知識。術(shù)語(yǔ)分布式傳感器指光纖本身成為傳感器的情況。因此，不再需要實(shí)現預期的傳感器位置，因為測量是沿著(zhù)連接到讀取設備的光纖（以及在延長(cháng)電纜內）進(jìn)行的。本文的其余部分將集中討論允許這種分布式感知的ofs技術(shù)。

2.1。真正的分布式傳感器：定位過(guò)程

可以利用各種技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)光纖內的連續分布式測量系統。最常見(jiàn)的是otdr（用于光時(shí)域反射計），它最終可以與諸如拉曼效應（溫度相關(guān)）和布里淵效應（溫度和變形相關(guān)）等光物質(zhì)相互作用的研究相結合，如后文所述。

otdr最初用于分析光通信線(xiàn)路內的損耗[5]，被歸為光脈沖回波技術(shù)。該技術(shù)包括在光纖中注入激光脈沖，然后測量后向散射強度隨時(shí)間的變化：周期對應于引線(xiàn)和光纖上位于引線(xiàn)處的給定點(diǎn)之間的脈沖往返。脈沖的時(shí)間寬度需要otdr的空間分辨率；10ns的寬度對應于1 m的分辨率。otdr用于在數十公里的距離上進(jìn)行強度變化測量，空間分辨率為米級。

其他的定位技術(shù)是可以利用的，它們的性能是相當互補的；例如有些是基于頻率調制的，因此縮寫(xiě)為ofdr（光頻域反射計）。具體原則見(jiàn)[5-7]。ofdr的空間分辨率可以達到10 m，盡管相應的測量范圍（可能的光纖長(cháng)度）大大減小到大約100 m。

無(wú)論采用何種技術(shù)，分布式傳感的一個(gè)主要問(wèn)題是沿光纖測量位置的不確定度，如下文提供的現場(chǎng)應用說(shuō)明所示。

2.2。真實(shí)分布傳感器原點(diǎn)的散射

如圖1所示，在沒(méi)有任何缺陷或異常特性的情況下，光纖段的光后向散射被光譜分解為對應于三個(gè)突出現象的三個(gè)不同的峰值。

第一種是瑞利散射，起源于在光纖芯中傳播的電磁波與二氧化硅雜質(zhì)之間的相互作用。與注入波波長(cháng)相同的后向散射信號的強度變化與局部光纖修改有關(guān)：突然的返回峰值被解釋為鏡面反射（光纖上的連接器或損壞），強度的突然下降對應于例如剪切損耗。除了檢測之外，要進(jìn)行溫度或應變測量，光纖中瑞利后向散射信號的值必須與另一種技術(shù)相關(guān)聯(lián)，最簡(jiǎn)單的方法是與正點(diǎn)傳感器相關(guān)聯(lián)，例如微彎傳感器或包含預先校準的損失[8]。在這種情況下，測量的連續分布方面將丟失。在單模光纖中，極化測量可以加上[9]，當應用需要壓力或磁場(chǎng)傳感時(shí)，參數非常有趣。

另一種可能性是根據第2.2.3節中描述的光學(xué)后向散射反射儀（OBR）儀器的建議，在各種瑞利測量之間進(jìn)行相關(guān)性。另一種方法是使用第2.2.1節和第2.2.2節中分別描述的另外兩條散射線(xiàn)拉曼和布里淵。

2.2.1基于拉曼散射的分布式溫度傳感

為了實(shí)現分布式溫度測量，拉曼散射是最先進(jìn)的技術(shù)。

拉曼散射源于激光-光子與二氧化硅分子（熱聲子）熱振動(dòng)的相互作用。更準確地說(shuō)，如圖2所示，反斯托克斯吸收主要取決于溫度。因此，拉曼分布式傳感系統可以利用otdr脈沖技術(shù)對反斯托克斯背散射光進(jìn)行分布式強度測量。但是，由于光纖損耗隨時(shí)間變化（隨光纖老化、連接器污垢或光纖曲率等而增加），因此必須通過(guò)參考測量來(lái)增強抗斯托克斯強度演化。許多商用分布式溫度傳感裝置通過(guò)分析反斯托克斯和斯托克斯吸收線(xiàn)強度之間的比率自動(dòng)補償這種損失。

與多模光纖和otdr定位技術(shù)相結合，拉曼分布溫度器件的重復性在幾公里的距離范圍內，空間分辨率為1.8201m，隨著(zhù)距離的增加，重復性下降，但可以通過(guò)增加器件的面積來(lái)保持。獲得時(shí)間。最大距離為308201；km。應用領(lǐng)域包括油氣管道泄漏檢測、地下儲存和鉆孔監測、四項檢測[10]、廢物處置場(chǎng)監測和堤壩滲漏檢測[11]。很少有儀器能夠對單模光纖進(jìn)行拉曼散射測量。初步試驗見(jiàn)第5.2.2節。
2.2.2.基于布里淵散射的分布式溫度或應變傳感
如圖1所示，當光脈沖發(fā)射到光纖中時(shí)，會(huì )出現另一種非彈性現象，稱(chēng)為布里淵散射。布里淵頻移與聲模相速度有關(guān)[12]。因此，已知布里淵位移變化與溫度（）和應變（）變化成正比，如：
并具有光纖型的特點(diǎn)。在工作波長(cháng)（15508201；nm）下，對于標準G652單模光纖，CT為18201；MHz/和0.05至8201；MHz/[13]。
因此，基于布里淵散射的儀器可以進(jìn)行溫度或應變測量。2002年，第一個(gè)商業(yè)化的B-OTDR系統被實(shí)現。2007年，市場(chǎng)擴大到至少包括五家布里淵審訊系統供應商。得到的性能約為20’8201；和1’8201；m的空間分辨率，在西班牙延伸幾十公里。目前最常見(jiàn)的應用是基于溫度測量的管道泄漏檢測[14]。與拉曼傳感相比，靈敏度降低了10倍。然而，布里淵傳感可以實(shí)現遠距離測量，最遠可達80’8201；km。這兩種差異主要與光纖類(lèi)型有關(guān)，分別是拉曼和布里淵傳感的多模和單模。
2.2.3.基于相對瑞利測量的分布式溫度或應變傳感：obr儀器
另一種進(jìn)行應變或溫度分布測量的方法是進(jìn)行相對瑞利測量，這是由美國luna科技公司商業(yè)化的光學(xué)背散射反射儀（obr）提供的。
它依賴(lài)于兩個(gè)ofdr（見(jiàn)第2.1節）測量，即進(jìn)行中的測量和參考狀態(tài)，用先進(jìn)的相關(guān)方法進(jìn)行處理，分析瑞利后向散射峰的光譜滯后。如[7]所述，瑞利后向散射圖案的頻率偏移與沿光纖軸的溫度或應變變化成正比。對于標準單模光纖G652型，1550’8201；nm典型值為0.1499’8201；（GHz/）和1.248’8201；GHz/。
自2006年春季起，OBR就開(kāi)始商用。它可以測量大約100-8201；m的光纖變形（在均勻溫度下），具有厘米級的空間分辨率和相當于幾個(gè)微應變（或在均勻應變下）的精度。
2.3。光纖外涂層的影響
到目前為止，人們已經(jīng)對光電器件進(jìn)行了描述。分布式傳感系統將這種儀器與包括光纖的敏感部分配對。從實(shí)驗室到現場(chǎng)的過(guò)渡過(guò)程中遇到的一個(gè)主要困難是，光纖不能用標準涂層包裹。外部涂層對于室外測試來(lái)說(shuō)過(guò)于脆弱，或者電信行業(yè)開(kāi)發(fā)的涂層將光纖與其環(huán)境隔離以保護光纖。相關(guān)的問(wèn)題是如何將光纖轉換為傳感器，這將在進(jìn)一步描述的兩個(gè)應用中說(shuō)明。

三。一種簡(jiǎn)單的鑒定方法

盡管在第2.1節中描述了許多優(yōu)點(diǎn)，但由于聲稱(chēng)的性能和專(zhuān)用鑒定過(guò)程缺乏標準化，真正的分布式光纖傳感器尚未侵入SHM應用。

所描述的整個(gè)過(guò)程的靈感來(lái)自于[15]。全局鏈評估必須適應應用程序。對于ofs，選擇了傳感電纜和光電儀器分開(kāi)研究，然后再配對這些元件，并專(zhuān)注于數據處理。全局測試序列包括以下內容。

（1）SHM系統是根據商用技術(shù)與需求和要求選擇的。如應變傳感電纜所示（見(jiàn)第5.1節），如果它們不匹配，則采用內部開(kāi)發(fā)。

（2）在實(shí)驗室中開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用試驗臺，以在受控條件下鑒定整個(gè)傳感鏈的計量性能。對于儀器，可在實(shí)驗室進(jìn)行基本試驗，如第4.1節中拉曼分布溫度裝置試驗所示。對于嵌入式傳感器，空間分辨率驅動(dòng)測試結構尺寸，這可能導致第4.2節溫度傳感和第5.1節應變傳感中詳述的實(shí)體模型實(shí)現?？刂茥l件是開(kāi)發(fā)定量擬合數據處理算法所必需的，如圖7所示。

（3）第4.3節和第5.2.3節最后分析了實(shí)地執行的具體要求。

這種鑒定方法主要應用于兩個(gè)方面：拉曼溫度傳感的堤防監測和混凝土結構監測的應變分布測量。由于其他地方已經(jīng)報道了許多技術(shù)方面的內容，本文迅速提到了處理前兩個(gè)全局測試序列的參考資料，重點(diǎn)是現場(chǎng)實(shí)現的注意事項。

4。光纖拉曼散射在堤防滲漏檢測中的應用

內耗是導致土石壩和堤防破壞的主要原因。這種以結構漏水為特征的病理學(xué)，目前仍采用傳統的基于視覺(jué)檢查的方法進(jìn)行檢測。為了提高裝置的安全性，開(kāi)發(fā)了新的監測方法。

溫度是很好的滲漏示蹤物[16]。提出了兩種主要技術(shù)。被動(dòng)技術(shù)是基于水渠和地面的季節性溫度變化。主動(dòng)的方法是基于加熱土壤。

光纖分布式傳感器在空間和時(shí)間上提供連續監測，是一種很好的溫度測量方法。自本世紀初[17]以來(lái)，edf已經(jīng)開(kāi)展了多個(gè)光纖儀器和數據處理的研究項目，以獲得一種能夠以最小的虛警率檢測堤壩滲流的自動(dòng)化結構健康監測技術(shù)。開(kāi)發(fā)的系統依賴(lài)于光纖技術(shù)。盡管它利用了商業(yè)上可獲得的元素，但在edf最近決定將這項技術(shù)推廣到各種開(kāi)發(fā)結構之前，還需要解決許多困難。以下段落詳細說(shuō)明了將實(shí)驗室儀器轉換為適合現場(chǎng)使用的監測系統的困難。

4.1。商用系統的實(shí)驗室評估

如第2.2.1節所述，幾種商用光電器件使用拉曼效應進(jìn)行分布式溫度測量。由于滲透檢測閾值取決于測量系統的不確定性，因此確定光電器件的計量特性具有重要意義。由于不同產(chǎn)品規格表的直接比較不明顯，edf決定對不同的商用設備執行一個(gè)通用的測試程序。

已知光纖彎曲半徑會(huì )影響測量質(zhì)量。此外，與標準傳感器（小型電子設備）不同，拉曼測量的平均值超過(guò)1米，因為儀器依賴(lài)于otdr技術(shù)。因此，必須確保幾米以上的溫度非常穩定，同時(shí)盡量減少入學(xué)人數。最后，期望性能與平均時(shí)間和距離范圍密切相關(guān)。

研制了一種適用于漏水應用的專(zhuān)用試驗臺。在[18]中有詳細描述，它可以測量20 m以上的穩定溫度，每1 km測量一次，最高可達4 km。如圖3所示，包括4根多模光纖的市售電纜部分安裝在放置在氣候室中的浴槽中。這樣，電纜的最小曲率半徑為35 cm。溫度由鉑探頭（Pt100型）控制，其測量值在幾個(gè)小時(shí)內顯示穩定。根據[19]得出的結論，重復性是通過(guò)在相同條件下連續測量的分散性來(lái)定義的；誤差是由裝置測量和pt100測量之間的差異來(lái)定義的。

圖3：不同的光電器件比較，由于一個(gè)特定的工作臺組成的氣候室，包括一個(gè)水浴配備光纖電纜。

2005年至2008年期間，同一測試程序應用于來(lái)自不同供應商的7個(gè)多模設備。它包括溫度范圍在到之間，采集時(shí)間在30 s到1小時(shí)之間。其結果是[20]對于每個(gè)裝置（i）所揭示的誤差與試驗期間所探索的范圍內所選擇的參數（鍍液溫度、采集時(shí)間和到裝置的距離）完全無(wú)關(guān)；（ii）重復性不取決于溫度（介于和之間），而是圖4中的Own受到了采集時(shí)間和設備距離的強烈影響。

930796.圖004

圖4：一個(gè)被測設備的重復性結果示例，顯示了采集時(shí)間和距離設備的影響。

由于這些實(shí)驗室測試是使用一種通用程序進(jìn)行的，因此可以對結果進(jìn)行比較，給出一種通用的網(wǎng)格評估，可用于指導設備選擇。例如，對于距離4000 m、溫度為5分鐘的采集時(shí)間，表1給出了采用所述程序進(jìn)行的7個(gè)裝置試驗的重復性和誤差。

Tab1

表1：在4 km的距離和C的溫度下，在5分鐘的采集時(shí)間內，用所述程序獲得的7個(gè)設備的性能比較示例。

如果需要獲得一個(gè)設備，該設備的重復性和誤差為±，超過(guò)4 km，采集時(shí)間為5分鐘，則公共比較網(wǎng)格顯示只有一個(gè)設備是可接受的。

同時(shí)進(jìn)行了測試，拉曼技術(shù)得到了顯著(zhù)的改進(jìn)。比較網(wǎng)格必須定期更新。

4.2。shm技術(shù)的實(shí)體模型評價(jià)

為了評估整個(gè)shm系統，即光電器件與傳感電纜的配對和數據處理方法，有必要進(jìn)行實(shí)物評估。更精確的外部參數（空氣溫度、太陽(yáng)輻射）可能會(huì )影響檢測。

設計了一個(gè)全面的煙幕：2006年在法國南部的Cemagref設施，在Eureka水文探測項目期間建造了一個(gè)水池。如[21]所述和圖5所示，盆地由受控土壤材料組成。它能在控制流量的情況下實(shí)現人工泄漏。光纖包含在模型內，并連接到安裝在靠近盆的特定機柜中的光電拉曼器件。PT100傳感器，用作參考傳感器，完成儀器。

930796.圖005

圖5：配有3層光纖和人工泄漏的全尺寸水池。

拉曼原始測量對泄漏的靈敏度很低（圖6）。

930796.圖006

圖6：在盆地西側產(chǎn)生3處泄漏時(shí)，沿一根光纖進(jìn)行的拉曼溫度測量。

930796.圖007

圖7：根據用特定算法處理的圖6中給出的原始拉曼測量，檢測盆地西側的3處泄漏。

如圖7所示，特定的數據算法被證明是高效泄漏檢測的關(guān)鍵。

在這一階段，利用該模型獲得的數據能夠確定整個(gè)傳感系統對泄漏檢測的靈敏度：它能夠以低至1 l/m/min的流速進(jìn)行檢測[22]。在未來(lái)，除了檢測之外，這些數據將被用來(lái)提供定量信息。為此，計劃開(kāi)發(fā)一種更復雜的基于堤防模型化的泄漏流量評估算法。由于用傳統儀表作為流量計無(wú)法在現場(chǎng)準確測量泄漏流量，因此吸油量對算法驗證至關(guān)重要。

3?，F場(chǎng)實(shí)施

為了完成實(shí)驗室和模型評估，實(shí)現了兩個(gè)現場(chǎng)裝置。第一個(gè)堤防設施位于法國東南部，于2002年安裝了一條2.3 km的混合電纜，包括4根多模光纖和6根銅線(xiàn)。電線(xiàn)確保強制加熱，以測試激活方法[16]。圖8是堤防和相關(guān)電纜的圖片。第二個(gè)堤防設施位于法國東北部，2006年安裝了2條1 km長(cháng)的類(lèi)似電纜。電纜埋在堤腳約1 m深處。

圖8

圖8：法國東南部的現場(chǎng)安裝。

4.3.1重大建議

這些安裝支持對現場(chǎng)實(shí)現的幾個(gè)方面進(jìn)行測試和驗證。首先，電纜必須堅固，以承受實(shí)際的土木工程條件：搬運、土壤壓實(shí)等。此外，它必須抵抗化學(xué)侵蝕環(huán)境（水和鹽度）。在堤內，嚙齒動(dòng)物碰巧破壞了電纜，這可以通過(guò)金屬保護來(lái)解決。因此，建議選擇用于土壤埋置的混合通信電纜。此外，其剛度將彎曲半徑限制在0.5 m左右。例如，Leoni提供上述電纜。

二是要注意配套材料的選擇。在這兩種情況下，拉曼裝置都位于水力發(fā)電廠(chǎng)內。變壓器產(chǎn)生的電磁干擾和環(huán)境溫度變化破壞了測量：最初兩年的采集時(shí)間約為50%。光電設備必須包括在屏蔽和溫度調節柜內，并配備不間斷電源。除了審訊單元外，出于眼部安全考慮，還選擇了E2000/APC連接器。在電纜的另一端，在電纜的末端，光纖被放置在電纜連接坑內的一個(gè)封蓋內，以便進(jìn)一步擴展安裝。

在處理分布式數據時(shí)，一個(gè)主要的困難是事件的精確定位。事實(shí)上，光電器件提供沿傳感電纜的曲線(xiàn)橫坐標測量，而傳感電纜距離堤壩表面的歐幾里得距離很遠。實(shí)際上，傳感電纜每1 km穿過(guò)一個(gè)電纜連接坑。這些接入點(diǎn)能夠通過(guò)冷卻或加熱電纜來(lái)創(chuàng )建人工事件，從而產(chǎn)生一個(gè)清晰可識別的信號，該信號可歸因于結構上的已知位置。

同樣，縱向定位困難，需要橫向定位。當使用這種shm技術(shù)檢測到某個(gè)事件時(shí)，需要挖掘土壤以驗證是否是由于泄漏造成的。為了便于探測電纜位置，為了盡量減少挖掘工作，商用rfid設備與電纜一起埋置。這大大提高了這項技術(shù)的實(shí)際應用。

第三，由于儀表化結構距離最終用戶(hù)較遠，因此實(shí)現了遠程控制解決方案，以提供快速的數據處理和相關(guān)警告。

最后，但并非最不重要的是，要進(jìn)行有價(jià)值的測量，拉曼系統需要參考測量，這是從經(jīng)驗中清楚地學(xué)到的。為此，PT100包含在機柜中，以便于定期校準設備。更重要的是，4根光纖在電纜的遠端成對拼接，以形成一個(gè)光環(huán)路。結果，pt100被人為地與在兩個(gè)位置的拉曼測量進(jìn)行比較，一個(gè)位置非常接近，另一個(gè)位置距離裝置非常遠。它還避免了在現場(chǎng)維護參考傳感器。

4.3.2.數據處理

在這兩個(gè)地點(diǎn)連續幾年成功地獲得了拉曼溫度測量。

發(fā)展了各種分析方法[22，23]并進(jìn)行了比較。對于一個(gè)地點(diǎn)，一年的測量后處理確定了可疑區域。這些結果與業(yè)主的目視檢查報告一致。

4.4。堤防監測結論：成功

自20世紀初以來(lái)，edf研究了利用光纖拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)來(lái)探測堤壩滲漏?；冢╥）實(shí)驗室（ii）受控條件下的模型評估和（iii）補充現場(chǎng)試驗的鑒定方法得到了積極的實(shí)施。評價(jià)了市場(chǎng)上光電拉曼器件的計量性能。由于采用了全尺寸水池，因此確定了shm技術(shù)的靈敏度。兩個(gè)工業(yè)裝置在實(shí)際條件下實(shí)現。

在過(guò)去幾年取得的積極成果的基礎上，edf對shm技術(shù)進(jìn)行了鑒定，并決定利用該技術(shù)每年對2個(gè)工業(yè)現場(chǎng)進(jìn)行監測。結果表明，基于拉曼光纖傳感的泄漏檢測系統是有效的。目前的發(fā)展重點(diǎn)是泄漏的量化。

另一個(gè)觀(guān)點(diǎn)是利用堤壩中嵌入光纖的類(lèi)似系統進(jìn)行地下孔探測，如最近的報道[24，25]。實(shí)際上，內部侵蝕有兩個(gè)主要后果：漏水和土壤變形。從這個(gè)角度來(lái)看，需要進(jìn)行應變分布測量。

5?；趹兎植际焦饫w傳感器的混凝土結構健康監測

從混凝土結構監測的角度對光纖分布式應變傳感系統進(jìn)行了評價(jià)。這種結構材料的儀器對于andra來(lái)說(shuō)是非常重要的，因為地下儲存庫廊道和未來(lái)地質(zhì)儲存庫中的中放射性長(cháng)壽命廢物處理單元可能有一個(gè)儀器化的混凝土襯砌。同樣地，LCPC和EDF負責許多混凝土結構，這些結構的安全性需要向當局證明。因此，在發(fā)電廠(chǎng)、混凝土大壩和一些具有特殊特征的橋梁中實(shí)施監測。

5.1。傳感電纜設計與實(shí)驗驗證

如第2.3節所述，應特別注意光纖與結構的連接方式，以便進(jìn)行精確的分布式溫度和應變測量。

2002年，LCPC開(kāi)始在法國國家項目EOLBUS中開(kāi)發(fā)一種專(zhuān)用于混凝土儀器的傳感電纜。當時(shí)，分布式應變布里淵傳感單元正在商業(yè)化，但提供的相關(guān)傳感器很少。更準確地說(shuō)，為了在很長(cháng)的距離內連續測量混凝土應變，所面臨的挑戰是確保主體材料和光纖之間的連續連接，同時(shí)優(yōu)化應變和溫度場(chǎng)的傳輸。

如[26]所述，設計了一種復合材料制備的類(lèi)波傳感器涂層，以使光纖和混凝土之間能夠連續粘合。如圖9所示，有限元分析表明，光纖的剛度可以適應混凝土的剛度，從而降低應變集中度和理論校準系數的需要。此外，與傳統的i形傳感器（如振弦式傳感器）不同，波形傳感器應能在拉伸和壓縮載荷下實(shí)現對稱(chēng)響應，無(wú)論接觸條件如何。

首先，用低相干干涉測量代替真正的分布式測量進(jìn)行實(shí)驗驗證。實(shí)際上，布里淵otdr儀器的1 m空間分辨率阻止了與長(cháng)度約為10 cm的參考傳感器的直接比較。在光纖芯內插入部分反射鏡，以實(shí)現短光纖測量?jì)x，可由低相干干涉儀進(jìn)行檢查[26]。將10 cm傳感器嵌入受壓混凝土圓柱體中的試驗（見(jiàn)圖10）以及使用70 cm傳感器的現場(chǎng)試驗[27]表明，包裹光纖引伸計與附近放置的參考引伸計之間的一致性非常好。應變測量閾值低至每米引伸計基礎上的±1 m。盡管它的波形，擬議的傳感器體不會(huì )帶來(lái)任何損失或應變，將導致纖維微彎。

930796.圖0010

圖10：放置在小混凝土樣品中的干涉波型傳感器的實(shí)驗實(shí)驗室驗證。

然后，用真正分布的測量值進(jìn)行實(shí)驗驗證[28]。在這一階段遇到的一個(gè)主要困難是實(shí)現具有代表性的比例尺測試結構，與市售Brillouin OTDR的1 m空間分辨率兼容（當時(shí)，具有厘米空間分辨率的Brillouin儀器僅限于實(shí)驗室食物）一根3 m長(cháng)的混凝土梁（300 50 25 cm3）在2.8 m光纖傳感電纜附近裝有電子溫度傳感器和機械應變計。這些傳感器由標準單模光纖（G652型和其他類(lèi)型）組成，包裹在類(lèi)波復合涂層中，并與市售的布里淵OTDR配對?；炷亮簼仓^(guò)程中的溫度測量與參考測量結果一致，表明傳感器涂層的影響顯著(zhù)。一個(gè)月后，在四點(diǎn)彎曲試驗中進(jìn)行的應變測量顯示出有希望的結果：在拉伸和壓縮載荷下，測量結果顯示出線(xiàn)性和可靠性。

這些發(fā)展從2002年持續到2006年。他們強調，布里淵傳感的實(shí)際實(shí)現受到三個(gè)主要限制：（i）1 m空間分辨率，（ii）20 m/m量級的低重復性，以及（iii）溫度和應變影響的分離。

最近，布里淵儀器的兩個(gè)工業(yè)供應商聲稱(chēng)其空間分辨率已提高到厘米級，并在實(shí)驗室進(jìn)行了廣泛演示[6，29–32]。此外，雖然不是基于布里淵散射，obr儀器聲稱(chēng)分布式應變傳感具有厘米空間分辨率（見(jiàn)第2.2.3節）。在過(guò)去的三年中，溫度與應變分離的影響也得到了廣泛的研究。在第5.2.3節所述的室外試驗中，對這兩種改進(jìn)進(jìn)行了試驗。

5.2。室外試驗

如圖11所示，安德拉的技術(shù)展覽設施建設是一個(gè)比較光纖測量鏈（傳感器和光電子）實(shí)驗室性能和現場(chǎng)條件的機會(huì )。這是一座4700 m m m m m m m m m m m m m m放射性廢物地質(zhì)處置庫。

土木工程儀器正在迅速發(fā)展，特別是光纖傳感器經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，正從實(shí)驗室走向現場(chǎng)應用。

各種類(lèi)型的光電儀器都是商用的，可以與許多不同的傳感電纜配對，以提供溫度或應變分布測量。因此，可能很難選擇最適合給定應用的技術(shù)組合（傳感電纜和光電詢(xún)問(wèn)方法）。

介紹了兩種土木工程應用：堤防滲漏檢測和混凝土結構監測。在任何室外實(shí)驗之前，必須進(jìn)行實(shí)驗室驗證。提出了評估（i）商用光電儀器（即拉曼分布式溫度儀器）和（ii）傳感電纜（包括用于應變傳感的光纖）的具體方法。配對這些不同的傳感鏈組件需要向最終用戶(hù)提出建議，因為成功的室外測試需要仔細考慮影響測量鏈的所有因素，以及與參考傳感器的適當選擇和溫度補償相關(guān)的考慮因素。本文介紹了一些建議和經(jīng)驗教訓。

特別是沿光纖上分布測量的信號位置，以及與實(shí)際結構位置的相關(guān)性被證明是一個(gè)主要問(wèn)題。提出了各種定位過(guò)程的描述。強調了光纖端頭（連接器、接頭、電纜連接坑）的重要性。同時(shí)也指出了外涂層對傳感電纜的影響。對于堤防漏水的檢測，先進(jìn)的數據處理顯示是強制性的。在未來(lái)，它應該能夠提高光纖系統從檢測到量化漏水的能力。對于混凝土結構監測，剩余的限制是應變測量的溫度補償。

考慮到這些因素，分布式溫度和應變傳感現在被證明是一種有效和無(wú)與倫比的結構健康監測工具。