基于光纤测温系统的温度时空分布模型及应用

到 ，由 式 （２）可 得 温 度 值 的 计 算 公 式 ：
数 的 处 理 方 法 ，并 结 合 施 工 期 大 体 积 混 凝 土 热 传 导 理 论 ，将 周 期 项 函 数 、顺 河 向 和 垂 直 向 坐 标 及 指 数 函 数 进 行
组合，建立了施工期大坝温度场时空分布模型。结合西 南 某 在 建 混 凝 土 坝 工 程 的 分 布 式 光 纤 测 温 资 料 ，回 归
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水 电 能 源 科 学 ２０１２ 年
为光纤的折射率。
反 射 到 入 射 端 的 Ｒａｍａｎ 散 射 光 中 包 含
Ｓｔｏｋｅｓ光和 Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ光。Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ光对温
度较敏感，强 度 受 温 度 影 响，而 Ｓｔｏｋｅｓ光 与 温 度
关 键 词 ：施 工 期 ；分 布 式 光 纤 测 温 系 统 ；时 空 分 布 模 型 ；温 度 场 重 构
中 图 分 类 号 ：ＴＶ６９８．１；ＴＶ４３１
文 献 标 志 码 ：Ａ
在大坝混凝 土 结 构 中，温 控 不 当 是 混 凝 土 产 生裂缝的重要 原 因［１］，因 此 坝 体 内 部 实 际 的 温 度 分布状态应 予 以 关 注。 目 前，分 析 坝 体 内 温 度 分 布一般采用两种 方 法：① 通 过 混 凝 土 大 坝 内 埋 设 的温度计实 测 温 度 重 构 温 度 场。 基 于 离 散、零 星 的电阻式温度 计 测 温 重 构 温 度 场［２］，因 测 温 数 据 少而使重构温度场与实际温度场有较大出入。② 通过温度场仿真分析来获得计算温度场。由于进 行温度场仿真分 析 时，混 凝 土 计 算 模 型 一 般 假 设 为各向同性热 传 导 材 料［１］，在 施 工 期 一 般 不 考 虑 混凝土水化度 对 温 度 历 时 曲 线 的 影 响［３］，运 行 期 不考虑温度 场 和 渗 流 场 的 耦 合 效 应 等 ［４］ ，因 此 仿 真计算温度场与实际温度场存在一定差异。分布 式光纤具有线监 测 和 实 时 在 线 监 测 的 优 势，只 需 将 分 布 式 光 纤 埋 设 在 混 凝 土 浇 筑 仓 内 ，即 可 快 速 、 连 续 地 监 测 光 纤 传 感 网 络 沿 程 的 温 度 值 ，可 直 观 、 方便地分析混凝土坝体内部温度的变化规律。光 纤 测 温 作 为 一 个 系 统 工 程 ，具 有 测 点 多 （线 测 温 ）、 精度高、实 时 性 高、可 靠 性 高 的 特 点 。 ［５，６］ 为 此， 本文结合西南某建设中的混凝土坝典型坝段分布 式光纤测温资料，探 讨 了 混 凝 土 坝 施 工 期 温 度 场 重 构 规 律 ，效 果 较 好 。
的时间差 Ｔ，散射光的发射点距入射端的距离为：
Ｘ ＝ ＣＴ／２
（１）
其中
Ｃ ＝ Ｃ０／Ｎ
式中，Ｃ 为光纤中 的 光 速；Ｃ０ 为 真 空 中 的 光 速；Ｎ
收 稿 日 期 ：２０１２－０３－０５，修 回 日 期 ：２０１２－０４－１２ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７９０７９）；三峡大学基金资助项目（ＫＪ２０１０Ｂ００３）；三峡大学 研 究 生 科 研 创 新 基 金 资 助 项 目 （２０１１ＣＸ００８） 作者简介：高祥泽（１９８８－），男，硕士研究生，研究方向 为 大 体 积 混 凝 土 温 度 场 仿 真 与 温 度 控 制 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏ－ｘｉａｎｇ－ｚｅ ＠１６３．ｃｏｍ
（１．三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 ４４３００２；２．中国长江三峡集团公司，湖北 宜昌 ４４３００２）
Hale Waihona Puke 摘要：针对混凝土坝温度场仿真分析的局限性及采用离散、零星的电阻式温度计实测温度重构 温 度 场 时 精 度
较差的问题，探讨了基于分布式光纤测温方法对混凝 土 坝 施 工 期 温 度 场 进 行 重 构 。从 场 理 论 出 发，应 用 幂 级
１ 分布式光纤测温系统基本原理
分 布 式 光 纤 测 温 系 统 （ＤＴＳ）是 一 种 自 动 化 的 监 测 系 统 ，通 常 由 激 光 光 源 、传 感 光 纤 和 检 测 单 元 组成。系统原理是利用光在光纤中传输产生的后 向散射，原理示 意 图 见 图 １。 图 中，λａｓ、λｓ、λ０ 分 别 为 Ａｎｔｉ Ｓｔｏｋｅ、Ｓｔｏｋｅｓ，瑞利光对应波长。
确 定 了 所 建 温 度 场 时 空 分 布 模 型 的 系 数 。 实 例 应 用 表 明 ，基 于 分 布 式 光 纤 测 温 建 立 的 施 工 期 大 坝 温 度 场 时 空
分 布 模 型 的 拟 合 精 度 及 中 短 期 预 测 效 果 较 好 ，真 实 反 映 了 大 坝 混 凝 土 的 温 度 状 态 。
第３０卷 第８期 ２ ０ １ ２ 年 ８ 月
文 章 编 号 ：１０００－７７０９（２０１２）０８－００６７－０４
水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ
Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２ ０ １ ２
基于光纤测温系统的温度时空分布模型及应用
高 祥 泽１，周 宜 红１，黄 耀 英１，王 利 杰１，周 绍 武２，王 军１
图 １ 光 纤 测 温 原 理 示 意 图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍｉａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
通 过 光 时 域 反 射 原 理 （ＯＴＤＲ）可 对 光 纤 沿 程
测温点进行精确定位。测量入射端与反射光之间
无关。两者比值与温度的关系为：
ｌａｓ／ｌｓ ＝ａｅｘｐ［－ （ｈＣ０ｖ／ｋｔ０）］
（２）
式中，ｌａｓ为 Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ光；ｌｓ 为Ｓｔｏｋｅｓ光；ａ 为温
度相关系数；ｈ 为普朗克系数，Ｊ·ｓ；ｖ 为拉曼平移
量，ｍ－１；ｋ为玻尔兹曼常数，Ｊ／ｋ；ｔ０ 为绝对温度值。
Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ光 与 Ｓｔｏｋｅｓ 光 之 比 可 实 测 得