專家觀察｜利用光纖傳感技術增強基礎設施健康和安全

  作者：Douglas Clague，VIAVI光纖現(xiàn)場解決方案市場經(jīng)理

  橋梁、隧道、管道、電信網(wǎng)絡、輸電線路以及其他民用設施構成了現(xiàn)代社會的支柱，實現(xiàn)了基礎服務和互連互通。確保這些基礎設施的安全性和完整性至關重要。技術進步正好帶來了監(jiān)測基礎設施的創(chuàng)新解決方案，而光纖傳感技術正在該領域的掀起顛覆式的創(chuàng)新。

  光纖傳感技術涉及到在基礎設施中進行光纖集成，以實時監(jiān)測各種物理參數(shù)。這些光纖能夠檢測多個事件引起的溫度、壓力或機械壓力波的變化。該項技術被稱為“分布式光纖傳感”，其中標準單光纖可以作為長距離、高空間分辨率的擴展傳感器，能夠覆蓋關鍵基礎設施的大片區(qū)域。

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

  光纖傳感技術的核心是光的反向散射現(xiàn)象，當光在光纖芯中傳播時，會與周圍環(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

  周圍物理參數(shù)的變化，如壓力或溫度變化，會引起光特性的細微變化，這些變化能夠被檢測并加以分析。先進的信號處理技術允許工程師將這些變化轉換為有價值的數(shù)據(jù)，用于：

  結構健康監(jiān)測：光纖傳感技術能夠對橋梁、建筑物和大壩等結構進行連續(xù)、實時監(jiān)測。壓力或溫度的任何偏差都能夠被及時檢測，在潛在問題升級為關鍵問題之前，向業(yè)主和設計師發(fā)出警報。

  管道監(jiān)測：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)可以幫助進行檢測，并且，最重要的是定位泄漏、地面移動或外部第三方干擾，從而降低事故風險，避免成本高昂的維修。

  地質(zhì)技術監(jiān)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、沉降和其他潛在風險提供寶貴的洞察，助力實施預警和預防措施。

  智能電網(wǎng)監(jiān)測：光纖傳感越來越多地應用于電網(wǎng)，以監(jiān)測輸電線路、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：

  成本效益：傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)通常需要在不同的點位安裝多個傳感器，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，可以顯著降低部署和運營成本。

  主動維護：分布式光纖傳感提供涉及任何變化或異常的及時信息，允許對潛在問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，使其成為長期監(jiān)測基礎設施的理想選擇。

  遙感：光纖傳感允許遠程監(jiān)測，減少了實地檢查的需要，并最大限度地降低了暴露在危險地點的人身風險。

  可擴展性：該技術具有可擴展性，能夠適應同時監(jiān)控各種參數(shù)，為復雜的基礎設施系統(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，支持對基礎設施健康至關重要的各種物理參數(shù)進行監(jiān)測。在基礎設施監(jiān)測中使用的三種主要類型的光纖傳感主要包括溫度、壓力和聲學傳感。

  溫度傳感：溫度異常和過熱會顯著影響管道、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(shù)來加以測量。該方法允許沿光纖的整個長度連續(xù)監(jiān)測溫度曲線，提供可能影響基礎設施性能的潛在熱點或溫度變化的寶貴數(shù)據(jù)。

  壓力傳感：對機械載荷產(chǎn)生的壓力進行監(jiān)測對于評估土木工程資產(chǎn)的健康狀況至關重要。分布式應變傳感(DSS)依賴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行測量。該技術允許工程師檢測變形、裂紋或過度載荷，有助于防止災難性故障并延長關鍵結構的壽命。

  聲學傳感：分布式聲學傳感(DAS)是一種前沿技術，能夠檢測和定位聲擾動和振動。通過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(qū)域的數(shù)千個虛擬傳聲器陣列。這種能力對于監(jiān)測大型基礎設施網(wǎng)絡(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。

  這些不同類型的光纖傳感技術相結合不僅為基礎設施的監(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，從而適應我們復雜且相互鏈接的現(xiàn)代世界種不斷變化的需求。借助光纖傳感技術的力量，我們可以提高關鍵基礎設施的安全性、效率和可靠性，確保可持續(xù)和有彈性的未來。

  NITRO光纖傳感簡介

  VIAVI最近推出了NITRO光纖傳感，這是一種用于關鍵基礎設施的集成化實時資產(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，提供運營商在優(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鍵智能。

  使用遠程光纖測試頭(FTH)(通常稱為詢問器)來監(jiān)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的溫度和應變，或實時檢測光纖附近的聲振動。FTH部署在戰(zhàn)略位置，包括電力電纜和管道沿線，提供寶貴的基礎設施健康數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠用于促進主動維護和防止停機，向運營商發(fā)出警報，告知來自人類干擾、車輛移動、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

  隨著光纖傳感技術的不斷發(fā)展和逐漸融入到基礎設施監(jiān)測實踐中，這無疑將在保護我們的關鍵基礎設施方面發(fā)揮關鍵作用，為工程師和決策者提供了必要的工具，以積極應對挑戰(zhàn)，并為更具彈性的未來做出明智的決策。

  關于作者：Douglas Clague

  VIAVI光纖現(xiàn)場解決方案營銷經(jīng)理

  Doug在測試和測量方面擁有20多年的經(jīng)驗，主要專注于電信行業(yè)的光纖和電纜技術。在加入VIAVI之前，Doug擔任制造工程師、解決方案工程師和業(yè)務開發(fā)經(jīng)理。Doug參加過許多有關光纖和電纜技術趨勢的行業(yè)研討會。他曾就讀倫敦布魯內(nèi)爾大學，獲得了電氣和電子工程榮譽學位。