应用案例
案例分享 | TDR系统在加利福尼亚沿海边坡监测项目中的应用
发布时间:2021-01-28
TDR是一种远程电子测量技术,是时域反射法的简称。一开始主要应用于通讯事业,检测通讯电缆是否完整。
 
TDR方法最初被用于检测同轴电缆的故障,即当同轴电缆在某一长度处出现破损或断裂时,通过确定信号的反射时间,结合电磁波在同轴电缆中的传输速度来计算故障位置。之后,TDR技术在土壤水分测量和边坡稳定性监测上获得广泛应用。
 
前者使用探针为波导,通过检测电磁信号在探针上的传输时间来推算探针周围土壤的介电常数与含水量;而后者与TDR最初的应用原理相同,以同轴电缆作为传感单元,将电缆钻孔安装到待测边坡中,如图1所示,当边坡内部出现滑移时,同轴电缆受到拉伸甚至剪切,导致特征阻抗发生变化,最终反映为波形在此处出现信号的反射。
 
相比传统监测手段,TDR方法最大的优势在于传感器(同轴电缆)成本低廉、安装相对方便,并且可实现连续测量。如图2所示,测斜仪需要沿剖面密集安装,而通过TDR技术使用单根同轴电缆即可观测到同一位置出现的边坡滑移。(图1)。

 
图1. 应用TDR监测边坡稳定性示意图
 
在不稳定的边坡中,电缆发生诸如扭曲、弯折、断开等变形,特征阻抗发生变化,电脉冲信号会发生反射并产生一个反射信号,当TDR测试仪接收到反射信号后,将发射信号与反射信号的延时、波长、范围以及强度进行对比,便能够判断同轴电缆发生变形的位置以及变形类型。
 
通过长期监测,反射信号的不断变化,可以预计和推测在同轴电缆的某个位置会发生断开,从而判断整个该区域的边坡土体是否会发生变形。图2所示为未产生边坡变形的TDR信号,图3所示为产生变形之后的TDR信号。
 
 
加利福尼亚边坡监测项目基本情况
 
监测区域包括容易受到侵蚀和相对较小的块体破坏的沿海悬崖。监测的坡体距离海滩约15 m。断崖由相对坚硬砂岩和柔软易蚀的粉砂岩组成。波浪作用和雨水灌溉产生的大量地下水导致粉砂岩的变软和变软。结果是砂岩被破坏,随后是沿海沿海地区的进行滑移。
 
TDR自动化系统概述
 
时域反射仪电路设计复杂,要求信号源上升沿宽度和反射信号时间分辨精度都在皮秒级别。市场上有专用于电缆故障检测的时域反射设备,但由于应用场景不同,不适用与长期边坡变形监测。
 
Campbell Scientific公司设计生产的TDR200时域反射主机性能优越(阶跃信号上升沿小于85 ps)、体积小巧(20×5×10 cm3),功耗低适用于野外长期监测(测量时为120 mA,休眠时为1 mA),与多级50欧姆同轴多路器配合最多可以实现最多512个点位的测量,且兼容Campbell Scientific多种数据采集器,可在无人值守的情况下长期稳定工作,并可通过射频、移动数据甚至卫星通讯的方式将数据自动传回监测终端或者发出安全预警信号。
 
Campbell Scientific的时域反射系统主要包括 TDR200 时域反射计数据采集器SDM8X50 系列同轴多路器、 TDR 探头(仅针对土壤水分测量的应用)以及 PC-TDR 软件。系统可采用可充电电池供电或者外部电源供电方式,若采用电池供电,则电池由太阳能板充电 。
 
 
系统设计和项目现场实施
 
监视系统由一个中央控制和监视单元和三个TDR监视站组成。中央监控单元检查每个监控站的状态,并控制系统的警报通知功能。每个TDR监控站都对两条TDR传感器电缆进行了轮询,以查看电缆是否变形或断裂。
 
每个监控站都有一个Campbell Scientific数据记录器,SDMX50 TDR多路复用器和TDR100反射仪。数据记录器每四分钟轮询两条水平TDR电缆,然后将反射波形与基线特征进行比较。如果反射的数据表明电缆变形或折断,则将由5 Vdc组成的警报信号施加到中央控制和监视单元的监视的电线上。在那里,一个自动电话拨号器通知铁路人员可能的边坡滑移。然后,人员可以通过远程访问方式并确定电缆变形的位置,以便可以对边坡华裔和轨道进行安全检查。
 
数据采集系统能够区分低级别警报(变形的电缆指示小的运动)和高级别警报(剪切的电缆和可能的大幅度倾斜故障)。TDR传感器电缆在轨道下方布线,并与轨道平行并安装在浅沟槽中。将电缆封闭在水泥/砂浆中,以确保在发生斜坡运动时变形。总共安装了约1,000 m的传感器进行连续监测。
 
 
创新技术应用
 
该项目运用了具有实时警报功能的TDR技术,对海岸边坡进行了长距离监测。系统解决传统滑动系统的安装和投入问题,独立设计的警报功能的实现了每个监视站都可以拨打多达八个不同的电话号码,以将可能的故障情况通知人员。TDR技术,在边坡等场景具有极好的发展潜力,可在任何地方保护铁路和公路,在其产生滑移时,实时监测他们受到滑坡运动的威胁。
(Source: Campbell Scientific
 
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