光纤传感技术在基础设施健康监测中的应用

逍遥设计自动化

引言
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8 j  V! K. z2 ?% q' U在当代互联社会中，基础设施的监测和维护对现代社会的运转具有基础性作用。本文讨论光纤传感技术如何革新基础设施监测领域，聚焦在确保关键结构和系统安全可靠性方面的应用[1]。
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光纤传感技术基础原理

3 ~, K* E1 S0 Z$ t) A( P9 E光纤传感技术是基础设施监测的创新方法，将光纤用作延伸传感器。该技术基于光反散射原理，当光在光纤中传输时会与周围环境产生相互作用。这种相互作用会在光的特性中产生细微变化，通过检测和分析这些变化可获取基础设施状况的有价值信息。
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图1：光纤传感中的反散射效应示意图，展示了不同波长下的拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射等多种散射类型。

分布式光纤传感的核心优势在于能将单根光纤转化为分布在长距离范围内的数千个虚拟传感器。这项能力使得对大规模基础设施网络进行持续、实时监测成为现实，监测精度和细节程度都达到了较高水平。
  M" z) N; \7 v, d$ G基础设施监测应用
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  t" Y) ~* A3 b  l) C光纤传感技术的多样性使其在多个关键基础设施领域都有应用：
- x2 A6 v" @# \2 ^4 \' B# y结构健康监测：现代基础设施需要持续监控以保持安全和运行效率。光纤传感技术能够持续监测桥梁、建筑和水坝等结构。系统可以检测应变或温度的细微变化，在结构问题变得严重之前及早发出警告。
7 r9 N, M2 T/ c( w: O管道监测系统：在石油、天然气和水资源分配领域，管道完整性监测极为重要。光纤传感系统擅长检测和定位泄漏、地面移动或外部干扰。实时、持续的监测能力有助于预防事故并降低维护成本。
: s0 c: S8 k' q; d9 G; ?$ @  h8 w( y: }智能电网应用：电力分配领域从光纤传感技术中获益显着。系统可监测输电线路、变压器和变电站，帮助优化能源分配并提高电网可靠性。温度监测对于在故障发生前检测潜在问题尤为重要。
% O/ ~( x, H" m; v' h1 f先进传感技术
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光纤传感生态系统包含三项主要技术：
分布式温度传感(DTS)：DTS系统可测量光纤全程的温度变化。这项功能对于监测可能受到热应力影响的设备以及检测关键基础设施中的潜在热点极为重要。
分布式应变传感(DSS)：DSS技术测量光纤电缆沿线的机械应变。这项功能对于监测结构变形、检测潜在故障和评估土木工程资产的整体健康状况非常重要。
9 X5 _) n% Z9 B2 @2 u8 t6 @分布式声学传感(DAS)：DAS将光纤转化为虚拟麦克风阵列，能够检测和定位声学干扰和振动。这项技术对于监测大型基础设施网络和检测未经授权的活动或潜在威胁特别有价值。
实施和优势
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: u" `: Q4 q- {7 N. ?+ _' O! R光纤传感技术的实施为基础设施监测带来多重优势：
6 y0 c- ^. a, ^' j) p成本效益：与需要多个点传感器的传统监测系统相比，分布式光纤传感使用单根光纤即可覆盖大面积区域，显着降低部署和维护成本。
主动维护：系统提供实时监测和早期预警功能，使维护团队能在问题变得严重之前采取措施。
长寿命和耐用性：光纤具有很强的稳定性，能够承受恶劣环境条件，非常适合长期基础设施监测应用。
远程监测能力：该技术实现了基础设施的远程监测，减少了现场检查的需求，最大限度地减少了人员在危险位置的暴露。
发展趋势
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6 [' g! m0 z  r: n光纤传感技术领域正在快速发展创新。近期发展包括：
: D+ N! ~9 _( ?0 \- d3 g, H与人工智能和机器学习的融合：引入先进分析功能，提升传感器数据解释和潜在问题预测能力。
应用领域扩展：该技术在数据中心监测和智慧城市基础设施等新兴领域不断找到新的应用。
行业标准化：正在推进光纤传感技术和协议的标准化工作，使其在不同基础设施领域更容易实施和使用。

光纤传感技术在基础设施监测实践中的持续发展和集成，将为工程师和决策者提供必要工具，以积极应对挑战并为建设更具韧性的未来做出明智决策。
参考文献
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( L, X, F( B, z, q9 W2 d; w[1] D. Clague, S. Buckley, "Tech Forecast for 2025/What Will Be Hot," Lightwave, pp. 1-11, Jan. 2025.
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