悠然1968
参考下： 进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。制药行业里也基本如此。而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，成本也高。国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。此外，国家粮食储备工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求。 但目前，在湿度测试领域大部分湿敏元件性能还只能使用在通常温度环境下。在需要特殊环境下测湿的应用场合大部分国内包括许多国外湿度传感器都会“皱起眉头”！例如在上面提到纺织印染行业，食品行业，耐高温材料行业等，都需要在高温情况下测量湿度。一般情况下，印染行业在纱锭烘干中，温度能达到120摄氏度或更高温度；在食品行业中，食物的烘烤温度能达到80-200摄氏度左右；耐高温材料，如陶瓷过滤器的烘干等能达到200摄氏度以上。在这些情况下，普通的湿度传感器是很难测量的。 高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，此即为湿度传感器的基本机理。影响高分子电容型元件的温度特性，除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外，还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。根据德拜理论的观点，液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在T＝5℃时为，在T＝20℃时为。有机物ε与温度的关系因材料而异，且不完全遵从正比关系。在某些温区ε随T呈上升趋势，某些温区ε随T增加而下降。多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为：高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为一。而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于ε的变 化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。作为电容器，高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。高分子聚合物的平均热线胀系数可达到 的量级。例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/℃。随着温度上升，介质膜厚d增加，对C呈负贡献值；但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加，即对C呈正值贡献。可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。 国外厂家比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂，产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极，再喷镀感湿介质材料（如前所述）形式平整的感湿膜，再在薄膜上蒸发上金电极.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系，线性度约±2%。虽然，测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想，在工业领域使用，寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。 陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点在于能耐高温，湿度滞后，响应速度快，体积小，便于批量生产，但由于多孔型材质，对尘埃影响很大，日常维护频繁，时常需要电加热加以清洗易影响产品质量，易受湿度影响，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差，是此类湿敏传感器迫切解决的问题。 当前在湿敏元件的开发和研究中，电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域，其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。 氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。 氯化锂湿敏器件的衬底结构分柱状和梳妆，以氯化锂聚乙烯醇涂覆为主要成份的感湿液和制作金质电极是氯化锂湿敏器件的三个组成部分。多年来产品制作不断改进提高，产品性能不断得到改善，氯化锂感湿传感器其特有的长期稳定性是其它感湿材料不可替代的，也是湿度传感器最重要的性能。在产品制作过程中，经过感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。 在国内九纯健科技依托于国家计量科学研究院、中科院自动化研究所、化工研究院等大型科研单位从事温湿度传感器产品的研制、生产。选用氯化锂感湿材料作为主攻方向，生产氯化锂湿敏传感器及相关变送器，自动化仪表等产品，在吸取了国内外此项技术的成功经验的同时，努力克服传统产品存在的各项弱点，取得实质性进展。产品选用了Al2O3及SiO2陶瓷基片为衬底，基片面积大大缩小，采用特殊的工艺处理，耐湿性和粘覆性均大大提高。使用烧结工艺，在衬底集片上烧结5个9的工业纯金制成的梳妆电极，氯化锂感湿混合液使用新产品添加剂和固有成份混合经过特殊的老化和涂覆工艺后，湿敏基片的使用寿命和长期稳定性大大提高，特别是耐温性达到了-40℃-120℃，以多片湿敏元件组合的独特工艺，是传感器感湿范围为1%RH-98%RH，具备了15%RH范围以下的测量性能，漂移曲线和感湿曲线均实现了较好的线性化水平，使湿度补偿得以方便实施并较容易地保证了宽温区的测湿精度。采用循环降温装置封闭系统，先对对被测气体采样，然后降温检测并确保绝对湿度的恒定，使探头耐温范围提高到600℃左右，大大增强了高温下测湿的功能。成功解决了“高温湿度测量”这一湿度测量领域难题。现在，不采用任何装置直接测量150度以内环境中的湿度的分体式高温型温湿度传感器JCJ200W已成功应用在木材烘干，高低温试验箱等系统中。同时，JCJ200Y产品能耐温高达600度，也已成功应用在印染行业纱锭自动烘干系统、食品自动烘烤系统、特殊陶瓷材料的自动烘干系统、出口大型烘干机械等方面，并表现出良好的效果,为国内自动化控制域填补了高温湿度测量的空白，为我国工业化进程奠定了一定基础。传感器论文： 低温下压阻式压力传感器性能的实验研究 Experimental Study On Performance Of Pressure Transducer At Low Temperature .... 灌区水位测量记录设备及安装技术 摘要：水位测量施测简单直观，易于为广大用水户所接受而且便于自动观测，因而在灌区水量计量乃至在整个灌区信息化建设中都占有十分重要的地位。目前我国灌区中水位监测采用的传感器依据输出量的不同主要分为模拟传感.... 主成分分析在空调系统传感器故障检测与诊断中的应用研究 摘要 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按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 一 霍尔器件的工作原理 在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差如图1所示： 这个电压和磁场及控制电流成正比： VH＝K╳｜H╳IC｜ 式中VH为霍尔电压，H为磁场，IC为控制电流，K为霍尔系数。 在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。 用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即： I∞B∞VH 其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。 二 霍尔传感器的应用 1 霍尔接近传感器和接近开关 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图1所示的接近传感器。它们的功能框见图19。(a)为霍尔线性接近传感器，(b)为霍尔接近开关。 图1 霍尔接近传感器的外形图 a)霍尔线性接近传感器 (b)霍尔接近开关 图2 霍尔接近传感器的功能框图 霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。霍尔翼片开关 霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图20所示，其内部结构及工作原理示于图21。 图3 霍尔翼片开关的外形图 2 霍尔齿轮传感器 如图4所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。 在ABS中，速度传感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意图如图23所示。图中，1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。在制动过程中，控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。 在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。 （1）相位精度高，可满足°曲轴角的要求，不需采用相位补偿。 （2）可满足度曲轴角的熄火检测要求。 （3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。 用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。 图4 霍尔速度传感器的内部结构 1. 车轮速度传感器2.压力调节器3.电子控制器 2. 图4 ABS气制动系统的工作原理示意图 3 旋转传感器 按图5所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 (a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式 图5 旋转传感器磁体设置 由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等，这些应用的实例如图25所示。 图6的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆35来供电和输出。 图6 霍尔流量计 由图7可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。 利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图27所示。 曲线1对应结构图（a）,曲线2对应结构图(b)，曲线3对应结构图(c)。 图7 霍尔车速表的框图 图8 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定 4 在大电流检测中的应用 在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图9示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。 图9（a）为G－10安装结构，中心为电流汇流排，(b)为电缆型多霍尔探头，(c)为霍尔电压放大电路。 (a)G�10安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路 图9 多霍尔探头大电流传感器 图10霍尔钳形数字电流表线路示意图 图11霍尔功率计原理图 (a)霍尔控制电路 (b)霍尔磁场电路 图12霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器 图13霍尔电度表功能框图 图14霍尔隔离放大器的功能框图 5 霍尔位移传感器 若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图15示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z<2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。 图15 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性 用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。 6 霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图16所示。在图16中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图29中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。 图16 几种霍尔压力传感器的构成原理 7 霍尔加速度传感器 图17示出霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块M，片S的末端b处固定测量位移的霍尔元件H，H的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压VH的变化。可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度。 图17 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性 三 小结 目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。
鲜嫩的小豆芽
光纤通信光源技术论文篇二 我国光纤通信技术综述 光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩大。 1. 我国光纤光缆发展的现状 普通光纤 普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550rim区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合规定的截止波长位移单模光纤和符合规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。 核心网光缆 我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括光纤和光纤。光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。 接入网光缆 接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。接入网使用普通单模光纤和低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。 室内光缆 室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。并目还可能用于遥测与传感器。国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其他电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。综合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。 电力线路中的通信光缆 光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式(ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。国内已能生产多种ADSS光缆满足市场需要。但在产品结构和性能方面,例如大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面,还有待进一步完善。ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。 2. 光纤通信技术的发展趋势 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。 超大容量、超长距离传输技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量,在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。近年来波分复用系统发展迅猛,目前的WDM系统已经大量商用,同时全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用(OTDM)技术,与WDM通过增加单根光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同,OTDM技术是通过提高单信道速率来提高传输容量,其实现的单信道最高速率达640Gbit/s。 仅靠OTDM和WDM来提高光通信系统的容量毕竟有限,可以把多个OTDM信号进行波分复用,从而大幅提高传输容量。偏振复用(PDM)技术可以明显减弱相邻信道的相互作用。由于归零(RZ)编码信号在超高速通信系统中占空较小,降低了对色散管理分布的要求,且RZ编码方式对光纤的非线性和偏振模色散(PMD)的适应能力较强,因此现在的超大容量WDM/OTDM通信系统基本上都采用RZ编码传输方式。WDM/OTDM混合传输系统需要解决的关键技术基本上都包括在OTDM和WDM通信系统的关键技术中。 光孤子通信 光孤子是一种特殊的ps数量级的超短光脉冲,由于它在光纤的反常色散区,群速度色散和非线性效应相互平衡,因而经过光纤长距离传输后,波形和速度都保持不变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信,在零误码的情况下信息传递可达万里之遥。 光孤子技术未来的前景是:在传输速度方面采用超长距离的高速通信,时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大传输距离方面采用重定时、整形、再生技术和减少ASE,光学滤波使传输距离提高到100000km以上;在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术难题,但目前已取得的突破性进展使人们相信,光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系统中,有着光明的发展前景。 全光网络 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高,因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。 全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,信息始终以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比特进行,而是根据其波长来决定路由。 目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。 结语 光通信技术作为信息技术的重要支撑平台,在未来信息社会中将起到重要作用。虽然经历了全球光通信的"冬天"但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信的发展趋势来看,光纤通信也将成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网络的时代也会在不远的将来如愿到来。 看了“光纤通信光源技术论文”的人还看： 1. 光通信技术论文 2. 光纤技术论文 3. 光纤传感技术论文 4. 光通信技术论文(2) 5. 电力系统光纤通信技术论文
美丽的球姑娘
基金项目：国家杰出青年基金项目（40225006），国家教育部重点项目（010886），南京大学985工程项目。
索文斌王宝军施斌刘杰
（南京大学地球科学系地球环境计算工程研究所，南京，210093）
【摘要】BOTDR是一种新型的分布式光纤传感监测技术，其分布式、高精度、长距离、实时性、远程控制等特点，已逐渐受到工程界的广泛关注。由于监测是分布式的，所以得到的数据与地理位置具有重要的相关性。结合工程实践中遇到的具体问题，研发了一套基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统。本文重点论述系统的设计要求，包括设计目标、技术框架和特色功能。结合某隧道 BOTDR监测工程开发的一套相应的监测数据管理系统，实现了工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化、监测信息的对比查询等功能，是一套集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。
【关键词】BOTDRGIS分布式光纤传感器监测系统
1引言
光纤传感技术以其良好的耐久性、抗腐蚀、抗电磁干扰，适合于在恶劣环境中长期工作等优点受到越来越多的工程建设者和科研人员的重视[～3]。BOTDR(Brillouin Optic Time-Domain Reflectometer）布理渊光时域反射计，作为新型的分布式传感技术，逐渐得到工程界的认可。日本、加拿大、瑞士等国已成功地将该技术应用到水坝、桩基、边坡、堤岸等工程的监测中[～3]。我国自2001年由南京大学地球环境计算工程研究所率先从日本引进该技术以来，开展了大量的室内外实验研究，并成功地完成了多个工程项目，取得了一系列重要的研究成果[4-7]。
在具体应用中，BOTDR所提供的监测结果存在诸如直观表现差、数据配准和空间定位困难、综合管理功能弱等方面的缺陷，未经过系统培训的工程技术人员，很难读懂 BOTDR的监测结果，后期成果处理也非常繁琐。本文针对大型工程分布式光纤传感监测领域存在的数据分析与管理中存在的不足，提出了一套比较切合工程实际的解决方案，并结合具体工程实例设计和开发了一套应用系统。实践表明，该系统可以很好地实现对监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示以及监测信息的对比查询等功能。
2问题的提出
BOTDR的监测原理[1]
激光在光纤中传播时，光波与光声子相互作用即会产生布理渊散射光。当环境温度的变化量不大（T≤5°）时，布理渊光频率漂移量（vB）与光纤所受的应变量（ε）成正比，其关系式如下式所示：式中：υB（ε）表示光纤受到ε应变时的布理渊频率漂移量；υB(0）表示光纤不受应变时的布理渊频率漂移量； 为比例系数，约为；ε为光纤的实际应变量。
地质灾害调查与监测技术方法论文集
为了得到沿光纤分布的应变信息，只需测量沿光纤分布的布理渊频率漂移量的变化情况，沿光纤距离光源为Z长度的点可由下式求得：
地质灾害调查与监测技术方法论文集
式中：c为光速，n为光纤折射率，T为自激光发射与接收到布理渊散射光所经历的时间。
监测原理如图1所示。
图1BOTDR的应变监测原理图
BOTDR在结果表现上存在的问题
在实际工程应用中，根据工程实际情况的不同，可按照不同的黏着方式将传感光纤粘贴在所需监测结构（或材料）的表面，从而获得被粘贴结构（或材料的）沿光纤的径向应变分布信息。但 BOTDR所提供的监测结果存在以下几个方面的缺陷：
（1）海量数据的综合管理缺陷。BOTDR提供的监测数据是沿光纤径向的每一点的应变信息（点之间的间距和仪器的距离分解度相关），而这些点的应变信息是以数据点的形式给出的，造成原始数据繁多复杂。
（2）实际里程与监测结果的数据配准问题。分布式光纤传感器在实际铺设过程中，出于定位需要，经常预留一些冗余光纤，为了将所测得的应变量和实际的光纤里程对应起来，必须获得发生应变部位距离光纤光源的实际里程，而 BOTRD提供的监测里程是光纤的实际长度（包括冗余部分），并不是工程实际里程，也就是说监测结果与实际里程之间存在数据配准问题。
（3）监测结果的直观表现不佳。BOTDR原始监测系统并不提供阈值设定功能，即对于特定的工程而言，我们必须人为地设定阈值寻找应变异常信息。
（4）实测数据影响因子多。BDTOR监测结果是在诸如温度影响在内的多种因子的影响下测得的数据，未经处理的实测数据可信度差。
（5）缺乏面向最终用户的监测数据。BOTDR监测结果是未经配准和处理的纯文本文件，这些数据并不是面向最终用户，而是面向具有 BOTDR操作经验的科研人士，也就是说未经专业培训的工程技术人员很难读懂 BOTDR的原始成果。
3基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统设计
系统设计目标
针对上述所存在的问题，基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统应该遵循以下的总体设计目标：
（1）完成对所监测工程的日常健康诊断，分析工程安全性。以应变分析为核心，建立工程安全评价体系，完成对影响规划、管理、决策及科学研究的数据进行储存更新、查询检索、智能评价、统计分析、类比判别和制图制表等任务，提高工程管理质量和效率。
（2）利用BOTDR提供的数据，经系统处理后再配合工程实地调查数据，完成以工程质量为目标的各项监测工作。应用横向纵向两方面类比模式监测工程安全性，即利用不同光纤反馈回来的数据，以及同一根光纤不同时间测试的数据进行类比分析，得出工程可信的结果。
系统技术框架
结合目前GIS的发展趋势，并考虑工程实际的可操作性，系统应用ESRI公司提供的MapOb-jects组件，在Visual Basic 环境下开发了以组件式GIS为核心的管理系统，系统的技术框架如图2所示：
图2系统技术框架图
从图2的技术框架图中可以直观地看出，系统设计以各种不同用户的需求作为指导，并在开发中通过信息反馈不断更新和完善系统功能及工作模式。系统以基础地理及属性数据库为基础利用GIS的开发实现空间数据的提取，结合光纤监测数据库实现监测数据的配准以及可视化表示，以不断更新和完善的管理与决策数据库实现科学决策，构建集基础功能、智能分析、决策管理于一体的多功能系统。
系统的功能与特色
基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统基本实现了如图3所示功能。
从图3可以看出，该系统基本上可以解决工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示、监测结果的智能化分析，是一个以工程应用为目标，以监测结果为核心的多功能管理与智能化分析系统。
（1）图层控制：系统加载多个图层（ESRI的Shape文件、AutoCAD的DXF文件或图像文件JPG、BMP、GIF、TIF等）。在使用中用户可以通过图层控制图层是否可见、图元颜色、可视化范围、图层顺序等，以便于对特定图层进行浏览。
图3系统的功能与特色
（2）视图控制：系统提供图像的放大、缩小，全局显示、局部显示，漫游等基本功能。
（3）动态标注：系统实现了空间任意位置的动态跟踪标注。用户点击鼠标后可随时获得鼠标所在位置的属性信息。
（4）数据维护：用户可以选择两种不同方式查询、检索、更改数据，提供完善的从图到属性和从属性到图的数据查询、检索、更改方式。
（5）绘图功能：系统提供自助的绘图方式，用户可按照自己的想法和要求新建图层或者在原图上自行绘制图形，并根据程序提供的属性表为数据添加属性。
（6）元素选取：系统能够识别图中选取的元素，通过线、矩形、区域、多边形、圆来拾取物体，并显示拾取元素的属性数据。当选中特定位置的光纤时，光纤以闪烁3次来回应用户选中的光纤。
除上述功能之外，鉴于分布式光纤监测的工程特点，本系统还具备以下几个特色功能：
（1）数据分析：系统以绘制专题应变曲线图的方式提供数据分析功能。通过 BOTDR实测数据，绘制光纤应变曲线专题图，根据不同的阈值设置不同颜色的应变曲线图。
（2）数据配准：在实测数据与工程实际里程之间，根据实际工程光纤铺设的特征数据信息（光纤定位信息），系统提供一个精确的配准模块，误差小，应用性强。
（3）图例显示：系统提供独特的图例，便于工程管理。如，实际工程若铺设5根光纤，并且光纤铺设在不同墙面，采取二维示意图显示，可以绘制不同的图例显示，用以区别不同墙面铺设的不同光纤。
（4）对比查询：系统提供了由系统操作主界面至应变曲线绘制界面的对比查询方式，用户可选则从图到曲线或从曲线到图的两种方式进行结果查询，这样，工程监测的质量和效率就大大提高了。
4工程应用实例
工程概况
某隧道工程是一湖底隧道，全长约，其中湖底隧道长约，为双向六车道，三箱室结构形式，其中左右两个箱式为车行道，中间箱室为净宽3m的管廊与检修通道。隧道设计宽约32m，净空高度，设计车速为60km/h。
2002年7月，隧道项目指挥部经反复调研和论证后，决定采用BOTDR技术进行隧道整体变形监测。2002年11月～12月，项目组完成了传感光纤铺设，铺设情况如图4所示，并分阶段对隧道变形进行监测。2003年1月～4月，为施工监测阶段，2003年5月通车后至9月为常规监测阶段。施工监测阶段主要进行由于后期施工对隧道变形的影响以及隧道箱体接缝变形监测，监测频率为2天/次。常规监测阶段主要进行通车条件下隧道稳定性监测，监测频率3～5次/周。
图4某隧道光纤总体平面布置图
隧道工程监测数据管理的系统实现
数据准备
系统的基本数据包括施工区域图、隧道信息、光纤铺设信息、光纤监测数据等四大类。这四类数据既包含了空间信息数据又包含了属性数据，是构成系统数据结构的基础，又是系统数据分析和管理的前提。
（1）施工区域图。主要提供隧道基本信息与周边环境状况，用以确定施工地理信息、施工线路等，为绘制隧道二维示意图提供标准。
（2）隧道信息。主要提供隧道纵剖面、横剖面信息。横剖面信息用于了解光纤铺设里程和方位，纵剖面信息主要用于掌握具体施工操作面，为准确绘制隧道二维示意图做数据基础。
（3）光纤铺设信息。主要提供传感光纤铺设信息。拟铺设的5条传感光纤处在隧道南洞、北洞不同的墙面上，每条光纤的实际铺设长度与工程里程必有误差，通过在铺设过程中了解光纤定位信息，为数据配准模块提供数据基础。
（4）光纤监测数据。主要指 BOTDR实测应变数据，这些实测数据通过数据配准、阈值设定等系统转换处理后，将得到精确的隧道不同位置的应变信息。
系统工作流程
数据管理与分析是该系统的核心组成部分，是得到精确工程监测信息的重要组成部分。数据管理与分析主要靠以下流程来实现：
步骤一：数据准备
将BOTDR实测数据以＊.txt文件存放到指定位置，以备数据处理调用。
步骤二：选择光纤
在5根铺设的光纤中，在主操作界面中点击所需监测光纤，即完成所需光纤的选择，点击所选光纤时，与之相对应的系列在后台被调入。
步骤三：选择系列
所谓系列，就是不同时间监测的不同光纤的应变信息和数据配准信息。选择系列操作包括调入监测数据，选择数据配准，设置隧道变形阈值等。
步骤四：应变分析
进行系列选择之后，选择绘制曲线，系统即在新窗口绘制出经数据配准的隧道整体应变分析图。
除上述主要数据管理与分析功能之外，系统还设置了分段管理与分析的功能，即通过对所需监测段进行设置起点、设置终点操作，进行局部数据的管理与分析。另外，系统还提供了由图到曲线（或曲线到图）的对比查询方式，选择图到曲线（或曲线到图）的菜单项之后，图和曲线完美地对应起来，并提供了阈值设定功能，做到自动预警，避免人为干扰。图5至图7显示了系统数据与管理功能的操作界面，其中，图5为数据分析界面，图6为选择系列界面，图7为隧道应变分析曲线界面。
图5数据分析界面图
图6选择系列界面
图7隧道应变分析曲线界面
5结语
综上所述，应用GIS管理分布式光纤监测工程可实现海量数据的高效管理。GIS以其独特的数据管理、查询、检索、分析模式成为工程管理的首选。它的海量数据分层管理、数据结果的可视化表现、实现双向查询、面向最终用户的特点更显示其理想的工程管理能力。具体的说，系统具有以下优点：
（1）系统改善了BOTDR原系统中海量数据的综合管理模式，结果显示更加清晰直观。
（2）系统设置了数据配准、阈值管理等模块，监测结果可直接应用，避免了人为判别的误差，提高了工作效率。
（3）系统采用可视化显示，面向最终用户，无须对具体工程监测人员进行系统培训。
（4）系统实现了工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示、监测信息的对比查询等功能，是一个集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。
本系统以具体工程为实例，具有更加科学、高效、直观、方便等优点，并减少了BOTDR监测结果的后期人为干扰，使得测试结果更加客观、准确，有利于科学管理和提高效率。
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