一种基于DTS测温技术的大体积混凝土温度监测方法

本发明涉及一种基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法。该监测方法，既能满足dts测温技术对于监测大体积混凝土温度变化能力的要求，也能形成混凝土温度场，从而对混凝土温度控制进行精确指导。该监测方法的监测精度相比于传统监测方式显著提高，而且降低了监测成本。

背景技术：

1、随着高层建筑的大量建设，大体积混凝土被广泛用来作为建筑物的基础部分。在大体积混凝土的浇筑和养护过程中，由于混凝土的导热性能差，而且水泥发生水化反应放出大量热量，极易引起混凝土结构体内部温差过大，形成较大的温度应力。早期混凝土抗拉强度较低，温度应力迫使材料内部产生温度裂缝，进而影响材料的强度和结构的耐久性。对大体积混凝土进行必要的温度监测，掌握温度梯度的变化，是有效实施降温措施的前提，也是控制大体积混凝土施工质量的保障。

2、传统的混凝土温度场监测多采用点式温度计。但是，采用传统点式温度计进行混凝土温度场监测具有以下缺点：1)只可测量单个点的温度，安装复杂，抗干扰能力较差；2)监测信息靠人工管理，分散储存，信息分析要经过数据搜集、向上报告、专家讨论、向下传达这样一个复杂过程，分析周期长，难以发挥监测系统的作用；3)温度计布点有限，信息量太少，很难掌握整个混凝土结构体内部的温度场变化和分布规律，因而不适合大体积混凝土的测温。

3、近年来，该技术领域出现了一种分布式光纤测温技术，其相比于传统的热电偶式温度计测温技术有着明显的优势：其测温精度高，监测范围广，能够实时在线监测，数据自动采集，可以方便快捷地掌握整个混凝土结构体内部的温度场变化。随着分布式光纤测温技术的迅猛发展，其已经成为一种监测大体积混凝土内部温度非常有效的手段。但是，该测温技术不仅布设光纤监测成本高，而且施工难度也大。因此，亟需一种非常有效的技术和方法来弥补上述现有技术的这些不足。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法，其利用一种分布式光纤测温系统对大体积混凝土温度场进行实时监测，不仅监测精度高，而且监测成本低。

2、本发明的基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法，一方面，经过对比试验决定光纤选型采用温度补偿光纤，该光纤的测温精度最高、光纤成活率最高；另一方面，采用横向辐射式及竖向s形布设光纤的方式(即分布式光纤布设方式)来监测温度变化。

3、下面具体介绍本发明的基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法的技术方案。

4、首先，介绍本发明的技术方案所依据的科学原理--dts测温技术。

5、分布式光纤测温系统(又称dts系统)通常由激光光源、传感光纤(缆)和检测单元组成，它是一种自动化的监测系统。其实现测量是利用光在光纤中传输能够产生后向散射的原理，即：在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，这些光波的状态受到所在光纤散射点的温度影响而改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后送入信号处理系统，便可将温度信号实时显示出来，并且根据光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间，即可对这些信息定位。

6、分布式传感型光纤测温系统的主要特点是：利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，测温光纤不仅起传光作用，还起传感作用。所以，分布式传感型光纤测温系统又称本征分布式光纤监测系统或全分布式光纤监测系统，简称“分布式光纤测温系统”。

7、反射回到入射端的反射光，主要包括瑞利(ray leigh)散射光和拉曼(raman)散射光。由于瑞利散射受温度变化的影响较小，因此可以忽略不计。而拉曼散射包含斯托克斯(stokes)散射和反斯托克斯(anti-stokes)散射，在斯托克斯散射中，该斯托克斯光与温度变化无关，但是在反斯托克斯散射中的反斯托克斯光则随温度的变化而变化。

8、dts基于拉曼光时域反射技术(raman optical time-domain reflectometer，即rotdr)，激光光源(激光器)发出的脉冲光在光纤中传输时发生非弹性碰撞会产生拉曼散射，生成两个不同的频移分量，一个分量是对温度敏感的频率大于入射光的反斯托克斯(anti-stokes)光，另一个分量是对温度不敏感的频率小于入射光的斯托克斯(stokes)光，两个分量的光强、频移量和温度满足如下关系式：

9、

10、式中，r(t)为温度函数；if、vf分别为反斯托克斯光强和频率；is、vs分别为斯托克斯光强和频率；c为在真空中的传播速度；v为拉曼频移量；h为普朗克常量；k为波尔兹曼常数；t为绝对温度。

11、脉冲光入射端与温度异常点的距离满足如下关系式：

12、

13、式中，l为脉冲光入射端到温度异常点的距离；t为发出脉冲光到接收散射光的间隔时间；n为光纤的折射率。

14、基于关系式(1)，温度解调仪根据两个频移分量的光强比if/is获取异常点的温度信息r(t)，再基于关系式(2)，根据光信号的间隔时间t获取异常点的位置信息l。

15、接着，介绍本发明的技术方案所涉及的监测方法的具体步骤。

16、一种基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法，依次包括以下步骤：

17、a.以基坑形心为中心向外沿水平方向呈辐射状均匀布设8条水平光纤，如此间隔布设多层；同时沿筏板厚度方向在4条水平光纤上以s形布设垂直光纤；

18、b.将所述水平光纤和垂直光纤(统称“测温光纤”或“温度监测光纤”)分别通过尼龙扎带与pvc管绑扎，将pvc管通过管箍接续，逐段送入绑扎完毕的钢筋网中；再用尼龙轧带将pvc管与钢筋网连接并耦合在一起；

19、c.用传输光缆将所述水平光纤和垂直光纤与外围的光纤解调仪连接，至此构成分布式光纤测温系统；

20、d.在筏板基础灌注完毕之后，通过所述光纤解调仪分析光纤测得的混凝土温度变化，当该温度变化趋于稳定后停止监测，最终形成筏板基础混凝土温度场。

21、进一步地，所述水平光纤和所述垂直光纤均采用温度补偿光纤。

22、进一步地，所述温度补偿光纤从内向外依次包括纤芯、光纤包层、光纤涂覆层、光纤护套层。

23、进一步地，所述光纤解调仪为柜式分布式光纤温度解调仪。

24、本发明的基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法，采用水平辐射状及竖向s形布设方式布设测温光纤。采用该光纤布设技术，能够使分布式光纤实时、准确地监测筏板基础从浇筑混凝土到凝固的整个过程中大体积混凝土结构体的温度变化，既能满足大范围监测的要求，又能大大地提高测量的精度，还可以最大限度节约造价，而且抗干扰能力强，稳定性更好。

技术特征：

1.一种基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法，依次包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法，其特征在于：所述水平光纤和所述垂直光纤均采用温度补偿光纤。

3.根据权利要求2所述的基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法，其特征在于：所述温度补偿光纤(1)从内向外依次包括纤芯(5)、光纤包层(4)、光纤涂覆层(3)、光纤护套层(2)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于dts测温技术的大体积混凝土温度监测方法，其特征在于：所述光纤解调仪为柜式分布式光纤温度解调仪。

技术总结
一种基于DTS测温技术的大体积混凝土温度监测方法，包括：a)以基坑形心为中心在水平方向呈辐射状均匀布设水平光纤，并沿筏板厚度方向以S形布设垂直光纤；b)将水平光纤和垂直光纤与钢筋网耦合；c)再将水平光纤和垂直光纤与光纤解调仪连接，构成分布式光纤测温系统；d)在筏板基础灌注完毕后，通过光纤解调仪分析光纤测得的温度变化，当温度变化趋于稳定时停止监测。通过在筏板基础内布设水平和垂直光纤，通过分布式光纤解调仪采集大体积混凝土温度变化并分析数据得出混凝土温度场，从而实时准确地监测混凝土在浇筑过程中的温度变化，能对混凝土的温度控制进行精确有效指导，既满足大范围温度监测的需要，又提高测量精度，而且监测成本低，抗干扰能力强，稳定性更好。

技术研发人员：郭飞,孔恒,侯公羽,王文正,胡志宇,程成,周航,冯东兴,高胜雷,闫宏锦
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13