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    TDR系統在加利福尼亞沿海邊坡監測項目中的應用
    來源:客戶案例    發布時間:2022/4/2 16:03:52

    TDR是一種遠程電子測量技術,是時域反射法的簡稱。一開始主要應用于通訊事業,檢測通訊電纜是否完整。

    TDR方法最初被用于檢測同軸電纜的故障,即當同軸電纜在某一長度處出現破損或斷裂時,通過確定信號的反射時間,結合電磁波在同軸電纜中的傳輸速度來計算故障位置。之后,TDR技術在土壤水分測量和邊坡穩定性監測上獲得廣泛應用。

    前者使用探針為波導,通過檢測電磁信號在探針上的傳輸時間來推算探針周圍土壤的介電常數與含水量;而后者與TDR最初的應用原理相同,以同軸電纜作為傳感單元,將電纜鉆孔安裝到待測邊坡中,如圖1所示,當邊坡內部出現滑移時,同軸電纜受到拉伸甚至剪切,導致特征阻抗發生變化,最終反映為波形在此處出現信號的反射。

    相比傳統監測手段,TDR方法最大的優勢在于傳感器(同軸電纜)成本低廉、安裝相對方便,并且可實現連續測量。如圖2所示,測斜儀需要沿剖面密集安裝,而通過TDR技術使用單根同軸電纜即可觀測到同一位置出現的邊坡滑移。(圖1)。

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    圖1. 應用TDR監測邊坡穩定性示意圖  

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    在不穩定的邊坡中,電纜發生諸如扭曲、彎折、斷開等變形,特征阻抗發生變化,電脈沖信號會發生反射并產生一個反射信號,當TDR測試儀接收到反射信號后,將發射信號與反射信號的延時、波長、范圍以及強度進行對比,便能夠判斷同軸電纜發生變形的位置以及變形類型。

    通過長期監測,反射信號的不斷變化,可以預計和推測在同軸電纜的某個位置會發生斷開,從而判斷整個該區域的邊坡土體是否會發生變形。圖2所示為未產生邊坡變形的TDR信號,圖3所示為產生變形之后的TDR信號。

    加利福尼亞邊坡監測項目基本情況

    監測區域包括容易受到侵蝕和相對較小的塊體破壞的沿海懸崖。監測的坡體距離海灘約15 m。斷崖由相對堅硬砂巖和柔軟易蝕的粉砂巖組成。波浪作用和雨水灌溉產生的大量地下水導致粉砂巖的變軟和變軟。結果是砂巖被破壞,隨后是沿海沿海地區的進行滑移。

    TDR自動化系統概述

    時域反射儀電路設計復雜,要求信號源上升沿寬度和反射信號時間分辨精度都在皮秒級別。市場上有專用于電纜故障檢測的時域反射設備,但由于應用場景不同,不適用與長期邊坡變形監測。

    Campbell Scientific公司設計生產的TDR200時域反射主機性能優越(階躍信號上升沿小于85 ps)、體積小巧(20×5×10 cm3),功耗低適用于野外長期監測(測量時為120 mA,休眠時為1 mA),與多級50歐姆同軸多路器配合最多可以實現最多512個點位的測量,且兼容Campbell Scientific多種數據采集器,可在無人值守的情況下長期穩定工作,并可通過射頻、移動數據甚至衛星通訊的方式將數據自動傳回監測終端或者發出安全預警信號。

    Campbell Scientific的時域反射系統主要包括 TDR200 時域反射計、數據采集器、 SDM8X50 系列同軸多路器、 TDR 探頭(僅針對土壤水分測量的應用)以及 PC-TDR 軟件。系統可采用可充電電池供電或者外部電源供電方式,若采用電池供電,則電池由太陽能板充電 。

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    系統設計和項目現場實施

    監視系統由一個中央控制和監視單元和三個TDR監視站組成。中央監控單元檢查每個監控站的狀態,并控制系統的警報通知功能。每個TDR監控站都對兩條TDR傳感器電纜進行了輪詢,以查看電纜是否變形或斷裂。

    每個監控站都有一個Campbell Scientific數據記錄器,SDMX50 TDR多路復用器和TDR100反射儀。數據記錄器每四分鐘輪詢兩條水平TDR電纜,然后將反射波形與基線特征進行比較。如果反射的數據表明電纜變形或折斷,則將由5 Vdc組成的警報信號施加到中央控制和監視單元的監視的電線上。在那里,一個自動電話撥號器通知鐵路人員可能的邊坡滑移。然后,人員可以通過遠程訪問方式并確定電纜變形的位置,以便可以對邊坡華裔和軌道進行安全檢查。

    數據采集系統能夠區分低級別警報(變形的電纜指示小的運動)和高級別警報(剪切的電纜和可能的大幅度傾斜故障)。TDR傳感器電纜在軌道下方布線,并與軌道平行并安裝在淺溝槽中。將電纜封閉在水泥/砂漿中,以確保在發生斜坡運動時變形??偣舶惭b了約1,000 m的傳感器進行連續監測。

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    創新技術應用

    該項目運用了具有實時警報功能的TDR技術,對海岸邊坡進行了長距離監測。系統解決傳統滑動系統的安裝和投入問題,獨立設計的警報功能的實現了每個監視站都可以通知多達八個不同的號碼,以將可能的故障情況通知人員。TDR技術,在邊坡等場景具有很好的發展潛力,可在任何地方保護鐵路和公路,在其產生滑移時,實時監測他們受到滑坡運動的威脅。

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