论大地感知系统与大地感知工程

论大地感知系统与大地感知工程

南京大学地球科学与工程学院 南京 210023

基金项目:

国家自然科学基金重点项目（41230636），保安保洁13825404095国家重大科研仪器研制项目（41427801）

详细信息

收稿日期:  2017-05-24

修回日期:  2017-06-08

刊出日期:  2017-06-25

ON THE GROUND SENSING SYSTEM AND GROUND SENSING ENGINEERING

School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023

Received Date:  24 May 2017

Revised Date:  08 June 2017

Publish Date:  25 June 2017

Abstract:

In this paper, two concepts are proposed—namely, the ground sensing system and the ground sensing engineering. First, the basic composition, sensing requirements and related techniques of the ground sensing system is discussed based on the characteristics of geological media and geological materials. Then, the distributed fiber optic sensing technique is highlighted and introduced, and its technical system, sensing principles, and advantages and disadvantages are summarized. Finally, the meaning of the ground sensing engineering is elaborated, followed by corresponding installation techniques, and some issues to be addressed in this field. The implications of this paper may be of great importance for structuring of ground sensing system, geoengineering monitoring, and prevention and treatment of a variety of geological hazards.

HTML全文

图 1 

基于传感监测技术的大地感知系统示意图

Figure 1. 

Schematic diagram of a ground sensing system based on sensing and monitoring techniques

下载:

图 2 

分布式监测概念示意图

Figure 2. 

The concept of distributed monitoring

下载:

图 3 

分布式光纤大地感知系统概念图

Figure 3. 

The concept of distributed fiber optic sensor-based ground sensing system

下载:

表 1 

常见分布式光纤感测技术及其特点一览

Table 1. 

An overview of distributed fiber optic sensing techniques and their characteristics

分类   感测技术   感测方式   基本原理   直接感测参量   延伸感测参量或事件   特点   不足  
光纤光栅型   布喇格光纤光栅(FBG)   准分布式   相长干涉   波长变化   温度、应变、压力、位移、压强、扭角、加速度、电流、电压、磁场、频率、振动、水分、渗流、水位、孔隙水压力等数10种参量   结构简单、体积小、重量轻、兼容性好、低损耗、可靠性高、抗腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度、高分辨率、易构成准分布传感阵列   高温下光栅会消退，粘贴和受压下易啁啾，加工易受损，准分布易漏检  
瑞利散射型   光时域反射技术(OTDR)   分布式   瑞利散射光时域反射   光损分布   开裂、弯曲、断点、位移、压力   单端测量，便携，直观快速，可精确测量光纤光损点和断点、弯曲位置，可测量结构物开裂和断裂位置   传感应用时受干扰因素多，测量精度低  
光子计数时域反射技术(v-OTDR)   分布式   光子计数   光损分布   位移、多点位移、绝对变形量   单端测量，便携，直观快速，可测断点、光损点及光纤微弱损伤点，空间分辨率高，可精确测量感测光纤长度微小变化   测量噪声大，需大量测量平均统计后可用  
光频域反射技术(OFDR)   分布式   瑞利光频域反射   光损、偏振模色散等   温度、压力、应变、裂缝、应力、振动等   单端测量，空间分辨极高，可达毫米级，信噪比高，测量精度高，探测光功率低，可精确测量被测物细微界面和裂缝   测试距离较短，且系统易串扰，应变及温度测量为相对值测量  
瑞利相干时域反射技术(COTDR)   分布式   瑞利相干时域反射   光损分布   超长距离的光缆损耗及断点监测，可扩展为温度、应变和振动监测   单端测量，可测断点，测试时间短，高精度，空间分辨率高，探测灵敏度高，探测光功率较低，可在线监测而不影响通讯信道，抗ASE噪声强，测量长度可达上万公里   相干检测，光路复杂，对光源及调制电路要求高  
偏振光时域反射技术(POTDR)   分布式   偏振态变化   高双折射引起的瑞利散射信号频率   温度、振动、压力、应变、弯曲、扭转、电流、磁场等   单端测量，增加OTDR的灵敏度，可以测量横向压力、弯曲、扭转等，可做成水听器、地震检波器和DAS技术   光纤偏振态易受多因素交叉干扰，信噪比低  
相位光时域反射技术(Φ-OTDR)   分布式   瑞利散射光相位变化   光损分布   振动   单端测量，可感知光纤周围的微弱振动，用于入侵、声音及泄漏等监测   极为敏感，感知阈低，模式识别困难  
拉曼散射型   拉曼散射光时域反射技术(ROTDR)   分布式   拉曼散射光时域反射   (反)斯托克斯拉曼信号强度比值   温度、含水率、渗流、水位等   单端测量，仅对温度敏感，测量距离长   空间分辨率较低，精度较低  
拉曼散射光频域反射技术(ROFDR)   分布式   拉曼散射光频域反射   (反)斯托克斯拉曼信号强度比值   温度、含水率、渗流、水位等   单端检测，仅对温度敏感，精度高，空间分辨率高   光源相干性和器件要求高，光路实现困难  
布里渊散射型   自发布里渊时域反射技术(BOTDR)   分布式   自发布里渊散射光时域反射   自发布里渊散射光功率或频移变化量   应变、温度、位移、变形、挠度   单端测量，可测断点，可测绝对温度和应变   测量时间较长，空间分辨率较低  
受激布里渊时域分析技术(BOTDA)   分布式   受激布里渊散射光时域分析   受激布里渊散射光功率或频移变化量   应变、温度、位移、变形、挠度   双端通路测量，动态范围大，测试时间短，精度高，空间分辨率高，可测绝对温度和应变   不可测断点，双端通路测量造成监测风险高  
受激布里渊频域分析技术(BOFDA)   分布式   受激布里渊散射光频域分析   受激布里渊散射光功率或频移变化量   应变、温度、位移、变形、挠度   信噪比高，动态范围大，精度高，空间分辨率高，可测绝对温度和应变   光源相干性要求高，不可测断点，测量距离短，双端通路测量造成监测风险高  

下载: 导出CSV

表 2 

部分适用于地质体的感测光缆

Table 2. 

Typical sensing cables for geomaterials monitoring

名称   感测光缆图   特征   用途  
高强温度感测光缆  

  多层加筋结构，长期耐腐蚀，具有很强的抗折、抗压和抗拉强度，束管阻水   地温场监测  
高强金属基应变感测光缆  

  绞线模式加筋，层层紧包，抗拉强度高，应变协调性好   岩土体及混凝土体的应变与应力测量  
定点式应变感测光缆  

  分布式定点模式封装, 抗非连续大变形破坏, 应变区段均匀分布   岩土体的拉伸及压缩位移监测  
内加热含水率感测光缆  

  采用可发热的碳纤维丝、电阻丝进行加筋，可通电发热，通过温度变化速率探测周围含水率变化   岩土体的水分场及渗流场监测  
多参量复合感测光缆  

  同一光缆多芯结构，纤芯采用多种模式封装，同时感测多场变化   岩土体变形与温度同时监测  

下载: 导出CSV

表 3 

部分安装固定件和回填材料

Table 3. 

Typical clamps and backfill materials

名称   实物图   功能描述  
夹具与固定件  

  各式夹具：夹片式，管件自锁式、注胶固定式等，可将感测光缆与被测物耦合固定；各类固定件用于光缆与岩土体耦合协调变形；各种保护装置用于光纤引线的长期保护  
安装导头  

  导头采用多层结构，一方面作为光纤回路器；另一方面作为钻孔安装时的配重和固定装置  
回填材料  

  回填材料主要用于感测光缆与周围岩土体间的耦合。水泥浆液用于硬岩封孔；微膨胀化学浆液用于软岩封填；黏土球-砂砾混合体用于松散层钻孔封填；发泡剂用于分段封填  

下载: 导出CSV

参考文献(30)

   

Dong X M. 2008. Self-diagnosing and sensor optimizing of smart materials and structures[M]. Zhengzhou: The Yellow River Water Conservancy Press.

 
   

Fang Z J, Qin G G, Qu R H, et al. 2014. Foundations of fiber optic sensors[M]. Beijing: Science Press.

 
   

Gao G F, Luo J, Xie S R, et al. 2005. Smart sensors and their applications[M]. Beijing: Chemical Industry Press.

 
   

Liao Y B, Li M, Zhang M, et al. 2009. Fiber optic sensing technique and its applications[M]. Beijing: Tsinghua University Press.

 
   

Lin Z J, Li D R, Xu Y Y. 2011. General review on the new progress of earth observations[J]. Science of Surveying and Mapping, 36 (4): 5~8.

 
   

Piao C D, Shi B, Wei G Q, et al. 2008. Application of distributed fiber optic sensing techniques in bored pile detection[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 30 (7): 976~981.

 
   

Qian X Y, Qian A L, Qian X Z. 2008. Priciples and applcations of sensors[M]. Nanjing: Southeast University Press.

 
   

Shi B. 2005. On development strategy of China engineering geology[J]. Journal of Engineering Geology, 13 (4): 433~436.

 
   

Shi B. 2013. On fields and their coupling in engineering geology[J]. Journal of Engineering Geology, 21 (5): 673~680.

 
   

Shi B, Ding Y, Xu H Z, et al. 2004. An application of distributed optic fiber strain measurement to early-warning of landslide[J]. Journal of Engineering Geology, 12 (S1): 515~518.

 
   

Shi B, Gao W, Wang B J. 2006. Geoenvironment of cities and evaluation, progress on geology and geochemistry[M]. Nanjing: Nanjing University Press.

 
   

Shi B, Xu X J, Wang D, et al. 2005. Study on BOTDR-based distributed optical fiber strain measurement for tunnel health diagnosis[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 24 (15): 2622~2628. https://www.researchgate.net/publication/292118712_Study_on_BOTDR-based_distributed_optical_fiber_strain_measurement_for_tunnel_health_diagnosis

 
   

Sui H B, Shi B, Zhang D, et al. 2008. Review on fiber optic sensor-based monitoring techniques for geological and geotechnical engineering[J]. Journal of Engineering Geology, 16 (1): 135~143.

 
   

Zhang X P. 2013. Fully distributed fiber optic sensing technique[M]. Beijing: Science Press.

 
   

Zhu H H, Shi B. 2015. Current progress and trends of opto-electronic sensor-based monitoring in geo-engineering——a summary of 5th OSMG-2014[J]. Journal of Engineering Geology, 23 (2): 352~360.

 
   

董晓马. 2008.智能结构的损伤诊断研究及其传感器优化配置[M].郑州:黄河水利出版社.

 
   

方祖捷, 秦关根, 瞿荣辉, 等. 2014.光纤传感器基础[M].北京:科学出版社.

 
   

高国富, 罗均, 谢少荣, 等. 2005.智能传感器及其应用[M].北京:化学工业出版社.

 
   

廖延彪, 黎敏, 张敏, 等. 2009.光纤传感技术与应用[M].北京:清华大学出版社.

 
   

林宗坚, 李德仁, 胥燕婴. 2011.对地观测技术最新进展评述[J].测绘科学, 36 (4): 5~8.

 
   

朴春德, 施斌, 魏广庆, 等. 2008.分布式光纤传感技术在钻孔灌注桩检测中的应用[J].岩土工程学报, 30 (7): 976~981.

 
   

钱显毅, 钱爱玲, 钱显忠. 2008.传感器原理与应用[M].南京:东南大学出版社.

 
   

施斌. 2005.我国工程地质学发展战略的思考[J].工程地质学报, 13 (4): 433~436.

 
   

施斌. 2013.论工程地质中的场及其多场耦合[J].工程地质学报, 21 (5): 673~680.

 
   

施斌, 丁勇, 徐洪钟, 等. 2004.分布式光纤应变测量技术在滑坡早期预警中的应用[J].工程地质学报, 12 (增刊): 515~518. doi: 10.3969/j.issn.1004-9665.2004.01.018

 
   

施斌, 高玮, 王宝军. 2006.城市地质环境及其评价, 地质与地球化学研究进展[M].南京:南京大学出版社.

 
   

施斌, 徐学军, 王镝, 等. 2005.隧道健康诊断BOTDR分布式光纤应变监测技术研究[J].岩石力学与工程学报, 24 (15): 2622~2628. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2005.15.004

 
   

隋海波, 施斌, 张丹, 等. 2008.地质和岩土工程光纤传感监测技术综述[J].工程地质学报, 16 (1): 135~143.

 
   

张旭苹. 2013.全分布式光纤传感技术[M].北京:科学出版社.

 
   

朱鸿鹄, 施斌. 2015.地质和岩土工程光电传感监测研究进展及趋势——第五届OSMG国际论坛综述[J].工程地质学报, 23 (2): 352~360.

 

相关文章

施引文献

资源附件(0)

访问统计