专家观察｜利用光纤传感技术增强基础设施健康和安全

专家观察｜利用光纤传感技术增强基础设施健康和安全

桥梁、隧道、管道、电信网络、输电线路以及其他民用设施构成了现代社会的支柱，实现了基础服务和互连互通。确保这些基础设施的安全性和完整性至关重要。技术进步正好带来了监测基础设施的创新解决方案，而光纤传感技术正在该领域的掀起颠覆式的创新。

光纤传感技术涉及到在基础设施中进行光纤集成，以实时监测各种物理参数。这些光纤能够检测多个事件引起的温度、压力或机械压力波的变化。该项技术被称为“分布式光纤传感”，其中标准单光纤可以作为长距离、高空间分辨率的扩展传感器，能够覆盖关键基础设施的大片区域。

光纤传感技术的核心是光的反向散射现象，当光在光纤芯中传播时，会与周围环境发生相互作用而导致散射。周围物理参数的变化，如压力或温度变化，会引起光特性的细微变化，这些变化能够被检测并加以分析。先进的信号处理技术允许工程师将这些变化转换为有价值的数据，用于：

• 结构健康监测：光纤传感技术能够对桥梁、建筑物和大坝等结构进行连续、实时监测。压力或温度的任何偏差都能够被及时检测，在潜在问题升级为关键问题之前，向业主和设计师发出警报。
• 管道监测：石油和天然气管道以及配水系统可能出现泄漏和损坏。光纤传感系统可以帮助进行检测，并且，最重要的是定位泄漏、地面移动或外部第三方干扰，从而降低事故风险，避免成本高昂的维修。
• 地质技术监测：在隧道和地下结构环境中，光纤传感能够针对地面移动、沉降和其他潜在风险提供宝贵的洞察，助力实施预警和预防措施。
• 智能电网监测：光纤传感越来越多地应用于电网，以监测输电线路、变压器和变电站。收集的数据可帮助优化电能分配，并提高电网可靠性。

分布式光纤传感具有以下优势：

• 成本效益：传统的监控系统通常需要在不同的点位安装多个传感器，导致更高的安装和维护成本。另一方面，分布式光纤传感使用单光纤，覆盖面积大，可以显著降低部署和运营成本。
• 主动维护：分布式光纤传感提供涉及任何变化或异常的及时信息，允许对潜在问题或威胁作出早期响应。
• 寿命和耐用性：用于传感的光纤和电缆非常坚固，能够承受恶劣的环境状况，使其成为长期监测基础设施的理想选择。
• 遥感：光纤传感允许远程监测，减少了实地检查的需要，并最大限度地降低了暴露在危险地点的人身风险。
• 可扩展性：该技术具有可扩展性，能够适应同时监控各种参数，为复杂的基础设施系统提供全面的监控解决方案。

分布式光纤传感具备广泛的功能，支持对基础设施健康至关重要的各种物理参数进行监测。在基础设施监测中使用的三种主要类型的光纤传感主要包括温度、压力和声学传感。

• 温度传感：温度异常和过热会显著影响管道、电力电缆和电气设备等基础设施的结构完整性。分布式温度传感(DTS)使用的原理是将反向散射光频率或功率的变化视为温度函数来加以测量。该方法允许沿光纤的整个长度连续监测温度曲线，提供可能影响基础设施性能的潜在热点或温度变化的宝贵数据。
• 压力传感：对机械载荷产生的压力进行监测对于评估土木工程资产的健康状况至关重要。分布式应变传感(DSS)依赖的原理是对施加到光纤上的机械压力所引起的光频率细微变化进行测量。该技术允许工程师检测变形、裂纹或过度载荷，有助于防止灾难性故障并延长关键结构的寿命。
• 声学传感：分布式声学传感(DAS)是一种前沿技术，能够检测和定位声扰动和振动。通过分析机械压力波引起的光散射变化，DAS将光纤转变为分布在广阔区域的数千个虚拟传声器阵列。这种能力对于监测大型基础设施网络(如管道或铁路)特别有用，因为它能够检测潜在泄漏、第三方入侵和干扰，甚至地震事件引起的地面移动。

这些不同类型的光纤传感技术相结合不仅为基础设施的监控提供了全面的解决方案，而且为集成化和智能化系统开辟了新的可能性，从而适应我们复杂且相互链接的现代世界种不断变化的需求。借助光纤传感技术的力量，我们可以提高关键基础设施的安全性、效率和可靠性，确保可持续和有弹性的未来。