《基于分布式光纤测温技术测量均质土坝浸润线的试验研究与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于分布式光纤测温技术测量均质土坝浸润线的试验研究与应用（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、学校代号：1 0 5 3 6学号：0 9 1 0 4 0 3 3 1 6密级：公开长沙理工大学硕士学位论文基于分布式光纤测温技术测量均质土坝浸润线的试验研究与应用学位申请人姓名鍪缝导师姓名及职称蹇卫星副教授培养单位蓬迦堡王太堂丞型王程堂瞳专业名称丞型丞电工程论文提交日期2 Q 1 2 生Q 兰且论文答辩日期2 Q 1 2 生Q 且! 窆目答辩委员会主席萱塞贵教援E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fM e a s u r i n gP h r e a t i cL i n ei nH o m o g
2、 e n e o u sE a r t hD a mb a s e do nD i s t r i b u t e dO p t i c a lF i b e rT e m p e r a t u r eS e n s i n gT e c h n o l o g yb yL IF e n gB E ( C h a n g s h aU n i v e r s i t yo fS c i e n c e & T e c h n o l o g y ) 2 0 0 9At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i
3、o no f t h eW a t e rC o n s e r v a n c y & P r o je c tE n g i n e e r i n gC h a n g s h aU n i v e r s i t yo fS c i e n c e & T e c h n o l o g yS u p e r v i s o rA s s o c i a t ep r o f e s s o rQ r NW e i x i n gM a r c h , 2 01 2长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以
4、标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：鹚唐夕日期：幽，年厂月土。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 5 0 0 m W ) 和激光器驱动电源组成
5、；( 2 ) 光纤波分复用器：由l 3 双向光纤耦合器( B D C ) 和波分复用器系统( 多光束干涉型高隔离度光学滤光片) 组成；( 3 ) 光电接受、放大组件：由带尾纤、带前放的光雪崩二极管( A P D ) 和高增益、宽带、低噪声主放大器组成；( 4 ) 信号处理系统：由双通道高速瞬态( 5 0 M H z ) 信号采集处理卡和信号处理软件组成；本试验采用的是A PS e n s i n g 分布式光纤测温主机，单通道测量，最大测量长度2 k m ，空间分辨率1 米，定位精度1 米，取样间隔0 5 m ，温度精度1 ，温度分辨率0 1 。91 0随着光纤技术快速发展，分布式光纤测温系统
6、已在很多领域被广泛应用，但其受采样间隔( 0 5 m ) 与空间分辨率( 1 O m ) 等因素影响，直线敷设光缆所采集的数据远远不能满足水利工程对水位、土石坝坝体浸润线的测量要求。改进光缆敷设从集中螺旋环绕与分散螺旋环绕两个角度设计，如图2 6 、2 7所示，连接采集系统并采用某种电流对光缆加热。具体设计为：( 1 ) 在距底部0 1 m 采用集中螺旋环绕光缆，共4 m ；( 2 ) 在距底部0 1 “ - - - “ 0 5 m 采用分散螺旋环绕长度0 5 m 圈、高差0 1 m 圈光缆，共8 m ；( 3 ) 在距底部0 5 m 、0 9 m 、1 3 m 、1 7 m 集中螺旋环绕光缆
7、，各为4 m 。水位工况设计为：0 8 m 、0 3 m 及无水。a 光缆圆柱试验设计图b 光缆敷设方式设计图图2 6 光缆敷设方式试验图图2 7 改进光纤模型试验图1 2、r ，、 j：企：i。) | 盯一矿一|一V 1 一V |-I 1 一一Z =、一 八lVI - _ - 厂一r ，距鬲：2 6 ，值：1 3 6 5V x妙卜形1 一卜，、L 一一，、= 3E = # Z 、。，、- 、一h ，、上，1 52 02 53 03 54 04 55 05 56 0钙7 07 58 0艏米图2 8 稳定浸润线( 0 8 m ) 不加热与加热试验结果图图2 9 稳定浸润线( 0 3 m ) 不加
8、热与加热试验结果图一旷y Vh h 卜v 、Pn o 叭，阳审q 甜q 枷5 _ 手稿P、卜M卜卜h ，v 叫 ，- 。h 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0时旧图2 1 0 稳定浸润线( 0 8 m ) 测点相对高程( 0 1 m ) 试验结果图弛娼筋孔放暑他循位8，h 序一 、，：籼脚，= ：岫，。卜“、，M pk 2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0时阿图2 1 1 稳定浸润线( 0 3 m ) 测点相对高程( 0 1 m ) 试验结果图P 八 毒、十，b r ”一y”P 口矿铲、P_ 。
9、4 P 一 u n 卜订一p 厂飞r 2 04 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0时丽图2 1 2 稳定浸润线( 0 8 m ) 测点相对高程( 0 2 m ) 试验结果图= = 矽、F 少哪0 _ v _ D 。m 一 4 、，- J 吗p 1 u 1 q 删一 飞一、少h 2 04 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0时阀图2 1 3 稳定浸润线( 0 3 m ) 测点相对高程( 0 2 m ) 试验结果图1 4严1 M P M，、 、，_ ，两= 一，c气产，： 一 V k 州r 吖、， 、，、，。广n 牝。2 04 06
10、 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0时闻图2 1 4 稳定浸润线( 0 。8 m ) 测点相对高程( 0 3 m ) 试验结果图，V 、，、一40 v 7 - ”7 一；n 如凸一： 卜 k饥y 、1 ，、 ， ，L 4 、2 04 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0时阀图2 1 5 稳定浸润线( 0 3 m ) 测点相对高程( 0 3 m ) 试验结果图，qr 1 小 “卜h ，、u p 、，、，讲；目咄 r P c 一b 4 一巧 d 厂、 0 、厂、，、，严k ? ! 。02 04 06 08 0l O O1 2 01
11、4 01 6 01 8 02 0 0时阚图2 1 6 稳定浸润线( 0 8 m ) 测点相对高程( 0 5 m ) 试验结果图匏勰筋孔放加伯循镗86 - 凸=一一，v 、一1 ，肌吖帅 ，。 ”M f 、，、，、P 。、= 一t ；z 丁珏i r 、7 弋，、i r V Y l2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0- t 闻图2 1 7 稳定浸润线( 0 3 m ) 测点相对高程( 0 5 m ) 试验结果图，小M r 一1 卜。吖40 凸0 一亡曼 l- 日，一4 n 自p 日虻妯 ，I l ，- 、 “一。呻。、沁i0 2 04 06 08 0
12、1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0时闯图2 1 8 稳定浸润线( 0 8 m ) 测点相对高程( 0 9 m ) 试验结果图0 a = ，e 皇广，“p 肌， p ，V 、7w 一。 ；l- 自一曲A F 蛐F 妯b 叁 “P e一”、沁12 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 ，1 6 01 8 02 0 0时阚图2 1 9 稳定浸润线( 0 3 m ) 测点相对高程( 0 9 m ) 试验结果图：；勰筋孔役己他侣他8表2 1 光纤温度数据对比表数据结果如图2 8 “ - - 2 1 9 与表2 1 所示，采样9 0 次以前，光缆未加热，所有位置点光
13、纤温度变化小，在1 3 1 4 “ C 之间波动；9 0 次之后，光缆开始加热，集中环绕敷设光缆与分散敷设光缆、稳定浸润线以上与以下的光纤温度都呈现出不同程度上升，最后光纤近乎稳定温度值各有不同。由此试验研究可得：( 1 ) 光缆在未加热工况下，所有光纤温度与环境温度基本一致，无法区分不同的光缆敷设方式、不同浸润线，进一步说明本试验需采用带加热功能的光缆。( 2 ) 光缆开始被加热之后，不同位置的光纤温度呈现出不同变化；在相同的介质中，光纤温度上升速率：集中环绕敷设 分散环绕敷设；在相同的敷设方式下，光纤温度上升速率：饱和土 分散环绕敷设；在相同的敷设方式下，光纤近乎稳定温度值：饱和土 水位处
14、 水，判定水面位置与实际位置吻合。( 6 ) 二维矩形槽模型连续多点测量光纤温差值变化沿高程趋势一致，较容易判定水面位置。( 7 ) 加热电流越大，温差值变化越大，测试效果越明显。为了进一步研究光纤在空气中、水位处与水中温度的判定条件，将三处光纤温差值随时间变化曲线从快升、缓升阶段及突升值、稳定温差值值进行拟合，得到拟合曲线，如表3 3 、图3 2 0 - - - 3 2 6 所示。通过加热试验分析可得，水位处的光纤温差值明显之于水与空气之间，可视化查看水位位置方便快捷。采用不同电流对光缆加热后，加热电流越大，现象越明显，更容易判定水面位置。一图3 2 0 光纤温差值随加热开始时间变化函数图-
15、 - - - 2 2 况一图3 2 l 光纤温差值随加热最后时间变化函数图一一工况一图3 2 2 光纤温差值随加热开始时间变化函数图一一工况二图3 2 3 光纤温差值随加热最后时间变化函数图一一工况二3 0表3 3 突升值、稳定温差值与加热电流关系表3 2 2 水位上升测量试验成果分析试验采集了光缆在5 A 、1 0 A 与l5 A 加热电流及水位上升情况下的温度数据，并分析处理成图3 2 7 3 3 2 的特征点( 4 2 0 0 c m , - 一8 5 0 0 c m ) 光纤温差值随时间变化曲线和特征时刻( 5 7 0 s - ll1 0 s 、6 0 1s , 浸润线位置 饱和土，判定浸润线位置与实际位置吻合。( 4 ) 加热电流越大，温差值变化越大，测试效果越明显。( 5 ) 浸润线位置温差值变化始终介于上下之间，并与水面处的判断相符。通过加热试验图表分析可得，浸润线位置处的光纤温差值介于饱和土与非饱和土之间，可视化查看水位位置方便快捷。采用不同电流对光缆加热后，加热电流较低时，较难判定浸润线
