CN101303227A - 分布式光纤形变探测管及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式光纤形变探测管及其检测方法，主筒体的两端经阶梯接头分别与两副筒体的一端口连接成管腔体，管腔体内腔设有经固定夹，质量块及阶梯接头组成的光纤单元通道及预留光纤卷；检测时，先将管腔体自由端置入被检测介质中，管腔体固定端与分布式光纤传感分析仪连接，管腔体经介质形变引发管腔体自由端下斜或上翘，使管腔体质量块滑向管端，使下或上光纤通道内光纤被拉伸，经分布式光纤传感分析仪检测信号的技术方案，克服了现有光纤与载体之间因表面粘贴而引起实际应变的衰减，且裸露铺设在测斜管外表面更易导致损坏甚至折断的缺陷。它适合各种堤坝、边坡、坑基、桩、围堰等工程的受力变形与长期监测，安全监控和专业维护。

Description

分布式光纤形变探测管及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种探测装置及其检测方法，尤其是一种由主筒体的两端经阶梯接头分别与两副筒体的一端口连接成管腔体且管腔体内布设光纤单元通道及预留光纤卷，并经过管腔体自由端与介质形变对堤坝、地基等受力变形进行检测的分布式光纤形变探测管及其检测方法。

背景技术

现有用于防洪的土石坝和用于河道整治的丁坝，其缺陷是堤坝本身的结构松散，洪水来临时极易被淘刷而发生坍塌，对附近居民的生命和财产安全构成重大威胁。因此，实时对堤坝的形变进行监测，对及时发现险情，有效指导抗洪救灾具有重要意义，同时，堤坝的长期监测也为堤坝安全监控和专家维护系统提供重要信息。堤防形变是堤防发生坍塌的先期反映。目前，人们对堤防形变先期征兆的探索与研究也在不断深入之中，但多为点式监测研究。在利用渗压计、土压计等点式传感器采集信息时，由于各个传感器点之间的距离以百米和千米计，因此会出现监测盲区及重大险情漏测现象，影响监测预警的可靠性。分布式光纤传感监测系统是近年来许多国家竞相研发的先进技术之一，它具有抗电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、具有大功率信号传输带宽、实时、动态和分布广的诸多优点，从而弥补了堤防点式监测盲区的数据空缺，提高了堤防形变监测的精度。

目前，应用光纤测量技术实施形变的分布测量理论和技术已相对成熟，如基于布里渊散射光的时域光纤网监测技术(Brillouin Optical Time-Domain Reflectormeter，BOTDR)利用了光纤的背向布里渊散射频率对光纤所受外界的应变作用十分敏感，且有很好的线性关系。该项技术已在许多国家获得应用，我国正在开展该类技术的引进与应用研究，如南京大学地球科学系在南京大学初步建成了我国第一个分布式光纤应变监测实验室，购进了日本NTT公司生产的AQ8602光纤应变/损失分析仪，承担了如南京玄武湖隧道、南京鼓楼隧道等重大工程的远程分布式光纤应变监测研究项目；长江三峡大坝的温度监测也采用了分布式光纤传感技术。但上述的引进与应用研究主要针对光纤在混凝土和建筑物等刚性和半钢性结构上粘贴和埋设等相关使用环境和技术。瑞士和韩国有研究者在山体滑坡监测上有过尝试，采用山顶上打桩并将传感光缆固定于沉桩上，从监测光缆的拉伸或收缩判断山体的走向，其使用前提是要有好的打桩基础。

但是，应用光纤测量技术在土石堤坝，尤其是土坝类控导工程中使用时，介质属于松散体，且这类水工结构物大都修建在河滩、湖岸，没有好的基础，很难有稳定的桩基。光纤之所以能实现传感，其实质在于有可以参考的基准进而得到被测部位的相对变形，如果没有固定的参考点，其变形的量化就无法实现。设计和构建合理有效的传感光纤(野外使用经特殊处理过的光缆)的支撑结构，研究传感光纤(光缆)的现场铺设、粘贴和固定技术是分布式光纤传感技术相对成熟后亟待解决的应用瓶颈问题。

此外，中国专利公开号CN 1598479A的“土体深部变形分布式光纤测量方法和系统”披露了其测量系统由测斜管、分布式光纤传感线路、数据采集设备、计算机控制模块、数据处理模块等几部分构成。它采用基于自发布里渊散射原理的分布式光纤传感技术，通过将传感光纤按照全面粘贴的方式铺设在测斜管的外表面，然后将测斜管埋设在土体中，用于测量土体的变形或位移。当深部土体发生位移，土体将带动测斜管发生变形，测斜管外壁的应变量也随之变化，采用BOTDR可以直接测量出粘贴在测斜管外壁的光纤的应变分布，数据的采集过程由计算机控制模块实现，采集到的数据同样由计算机控制模块导入数据处理模块，按照一定的算法计算出测斜管的变形量，从而得到土体的变形或位移。该技术方案的不足之处是传感光纤按照全面粘贴的方式铺设在测斜管的外表面，它会因测斜管的厚度而对实际变形量有衰减，系统的灵敏度受光纤的粘贴、测斜管厚度和材料等的影响很大，且传感裸光纤直接铺设在测斜管的外表面，容易受到土体中石子、砂粒等的挤压而折断，从而失去信息源导致整个系统的瘫痪。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的在于提供一种分布式光纤形变探测管，它既结构简单、方便操作、易于维护，又能充分利用介质形变的信息源，实现精确、快速、安全地监测堤坝、基坑等工程，而且便于普及推广。本发明的另一目的在于提供一种实现上述分布式光纤形变探测管的检测方法。

为实现上述目的，一种分布式光纤形变探测管，其主筒体的两端经阶梯接头分别与两副筒体的一端口连接成管腔体，该管腔体的内腔设有经固定夹，质量块及阶梯接头组成的光纤单元通道，该光纤单元通道包括上光纤通道、下光纤通道和光纤铺设时设置在光纤单元通道两端的左、右预留光纤卷，光纤先从管腔体右端口穿入，经上光纤通道的右固定夹、右质量块、右阶梯接头至左固定夹、左阶梯接头、并于左质量块处设置左预留光纤卷，继续经下光纤通道的左固定夹、左质量块、左阶梯接头至右阶梯接头、右固定夹、且于右质量块处设置右预留光纤卷，再从管腔体右端口穿出。

为实现结构优化，其进一步的措施是：

光纤单元通道内壁设有橡胶保护套。

管腔体的左端口设有左端盖，管腔体的右端口设有右端盖。

右端盖包括一法兰盘和与其连接的光纤支架。

管腔体内腔的各端口与连接处均设有密封圈。

为实现上述另一目的，其管腔体的自由端置入被检测介质中，管腔体的固定端与分布式光纤传感分析仪连接，管腔体经由介质形变-介质下沉-管腔体自由端下斜-管腔体自由端质量块滑向管端-下光纤通道内光纤被拉伸-分布式光纤传感分析仪检测信号，或者管腔体经由介质形变-介质隆起-管腔体自由端上翘-管腔体固定端质量块滑向管端-上光纤通道内光纤被拉伸-分布式光纤传感分析仪检测信号。

本发明采用主筒体的两端经阶梯接头分别与两副筒体的一端口连接成管腔体，管腔体内腔设有经固定夹，质量块及阶梯接头组成的光纤单元通道与预留光纤卷；检测时，先将管腔体自由端置入被检测介质中，管腔体固定端与分布式光纤传感分析仪连接，管腔体经介质形变引发管腔体自由端下斜或上翘，管腔体内的质量块滑向管端，使下光纤通道或上光纤通道内的光纤被拉伸，经分布式光纤传感分析仪检测信号，达到及时探测出被检测工程的形变的技术方案，克服了现有光纤与载体之间因按全面粘贴的方式且裸露铺设在测斜管的外表面易受到土体中石子、砂粒等的扎压而受损甚至折断，而实际测试所得的应变被衰减，系统的灵敏度受测斜管厚度和所用材料等较大影响的缺陷，并同时通过预留的光纤卷对检测的应变进行温度补偿。

本发明相比现有技术所产生的有益效果：

(i)管腔体结构简单，连接牢固、可靠，刚性好，易于制造、安装和维护；

(ii)无光纤与载体之间粘贴对应变的衰减影响，无探测管与介质之间的随动性变化；

(iii)左、右预留光纤卷只受温度变化影响，不受应变影响，可对应变进行温度补偿；

(iv)具有长距离、长寿命、高精度、分布式测试和长期监测与历史数据比较，能有效弥补点式监测盲区数据空缺的特点；

(v)管腔体内的光纤通道不受介质变形而影响检测质量，能连续重复使用，使用安全、可靠，便于普及、推广。

它适合对各种堤坝、边坡、坑基、桩、围堰等工程的受力变形进行长期监测，安全监控和专业维护。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明分布式光纤形变探测管的主视图。

图2为本发明分布式光纤形变探测管的检测流程图。

图中：1.主筒体，2.阶梯接头，3.副筒体，4.管腔体，41.左端盖，42.右端盖，421.法兰盘，422.光纤支架，43.密封圈，5.固定夹，6.质量块，7.光纤单元通道，71.上光纤通道，72.下光纤通道，73.橡胶保护套，8.光纤，81.左预留光纤卷，82、右预留光纤卷。

具体实施方式

参看附图1-2，分布式光纤形变探测管，其主筒体1的两端经阶梯接头2分别与两副筒体3的一端口连接成管腔体4，该管腔体4的左端口设有左端盖41，管腔体4的右端口设有右端盖42。右端盖42包括一法兰盘421和与其连接的光纤支架422。光纤支架422主要包括一立式支板，此立式支板由两法兰盘421相向夹紧固定安装于管腔体4固定端，立式支板中心安装一平行于管腔体4的光纤支承平板，光纤粘贴固定于支承平板的上、下平面内。管腔体4的内腔设有经固定夹5，质量块6及阶梯接头2组成的光纤单元通道7，该光纤单元通道7包括上光纤通道71、下光纤通道72和铺设光纤8时设置在光纤单元通道7两端的左、右预留光纤卷，该预留光纤卷只受温度变化影响，而不受应变影响，可对应变进行温度补偿。为了提高检测精度和灵敏度，管腔体4内壁表面与质量块6外圆表面应尽量保持光滑；为了使光纤8在通道内固定可靠、运行安全，于光纤单元通道7内壁设橡胶保护套73，管腔体4内壁的各端口与连接处均设有密封圈43。光纤单元通道7两端的左、右预留光纤卷分别于左质量块6处设置左预留光纤卷81，于右质量块6处设置右预留光纤卷82。

参见附图，光纤8安装时，将光纤8先从管腔体4右端口穿入，经上光纤通道71的右固定夹5、右质量块6、右阶梯接头2至左固定夹5、左阶梯接头2、并于左质量块6处设置预留光纤卷81，继续经下光纤通道72的左固定夹5、左质量块6、左阶梯接头2至右阶梯接头2、右固定夹5、且于右质量块6处设置右预留光纤卷82，再从管腔体4右端口穿出。

如附图所示，实现分布式光纤形变探测管的检测方法，检测时，先将管腔体4的自由端即无光纤引出端，置入被检测介质中，管腔体4的固定端与分布式光纤传感分析仪连接，管腔体4经由介质形变-介质下沉-管腔体自由端下斜-管腔体自由端质量块滑向管端-下光纤通道内光纤被拉伸-分布式光纤传感分析仪检测信号，或者管腔体4经由介质形变-介质隆起-管腔体自由端上翘-管腔体固定端质量块滑向管端-上光纤通道内光纤被拉伸-分布式光纤传感分析仪检测信号。

本发明分布式光纤形变探测管的正常工作是：

参见附图，将主筒体1两端内壁分别与阶梯接头2的小头外圆适配，在主筒体1的筒体端口与阶梯接头2的端侧之间装入密封圈43，再在主筒体1径向用螺钉拧紧；之后，将连接到主筒体1两端内壁上的阶梯接头2大头外圆分别与副筒体3的一端内壁适配；同样，在副筒体3的筒体端口与阶梯接头2的另一端侧之间装入密封圈43，再在副筒体3径向用螺钉拧紧，此时，管腔体4总成组装完毕；接着，在管腔体4两端的副筒体3内壁塞入质量块6，于光纤单元通道7内壁装入橡胶保护套73，在塞入质量块6、橡胶保护套73的同时，进行光纤8的铺设。光纤8铺设时，将光纤8先从管腔体4右端口的右端盖42的光纤支架422中的上光纤通道71的橡胶保护套73中穿入，经上光纤通道71的右固定夹5、右质量块6及橡胶保护套73、右阶梯接头2及橡胶保护套73至左固定夹5、左阶梯接头2及橡胶保护套73、左质量块6及橡胶保护套73，于左质量块6处设置左预留光纤卷81，之后，再继续经下光纤通道72的左固定夹5、左质量块6及橡胶保护套73、左阶梯接头2及橡胶保护套73至右阶梯接头2及橡胶保护套73、右固定夹5、右质量块6及橡胶保护套73，于右质量块6处设置右预留光纤卷82，再从管腔体4右端口，经右端盖42的光纤支架422中的下光纤通道72的橡胶保护套73中穿出。要特别注意光纤在铺设过程中，上下两光纤通道的左右两固定夹之间的光纤一定要拉直。其中，光纤支架422中的光纤支承平板的上、下平面分别为光纤单元通道7的上光纤通道71与下光纤通道72的过渡支承平面。光纤8的两端与分布式光纤传感分析仪连接。最后将管腔体4左端口用左端盖41及密封圈43固定并密封。

使用时，将已铺设好光纤8的管腔体4及管腔体4的自由端即无光纤引出端置入被监测的堤坝、边坡、坑基、桩、围堰等介质中，管腔体4的固定端与分布式光纤传感分析仪连接，介质形变引发介质下沉或介质隆起，使管腔体自由端下斜或管腔体自由端上翘，使管腔体自由端质量块滑向管端或管腔体固定端质量块滑向管端，使下光纤通道内光纤被拉伸或上光纤通道内光纤被拉伸，经分布式光纤传感分析仪检测信号，达到及时有效的探测出堤坝、边坡、坑基、桩、围堰等工程的形变，从而能及时的预警并为抢险工作提供即时的信息。

以上仅仅是本发明的较佳实施例，根据本发明的上述构思，本领域的熟练人员还可对此作出各种修改和变换。例如，主筒体经阶梯接头与副筒体连接成管腔体以及经固定夹、质量块、阶梯接头组成的光纤单元通道及预留光纤卷等相互结合的修改和变换。然而，类似的这种变换和修改均属于本发明的实质。

Claims (6)

1、一种分布式光纤形变探测管，其特征在于主筒体(1)的两端经阶梯接头(2)分别与两副筒体(3)的一端口连接成管腔体(4)，该管腔体(4)的内腔设有经固定夹(5)，质量块(6)及阶梯接头(2)组成的光纤单元通道(7)，该光纤单元通道(7)包括上光纤通道(71)、下光纤通道(72)和设置在光纤单元通道(7)两端的左、右预留光纤卷，光纤(8)先从管腔体(4)右端口穿入，经上光纤通道(71)的右固定夹(5)、右质量块(6)、右阶梯接头(2)至左固定夹(5)、左阶梯接头(2)、并于左质量块(6)处设置左预留光纤卷(81)，继续经下光纤通道(72)的左固定夹(5)、左质量块(6)、左阶梯接头(2)至右阶梯接头(2)、右固定夹(5)、且于右质量块(6)处设置右预留光纤卷(82)，再从管腔体(4)右端口穿出。

2、根据权利要求1所述的分布式光纤形变探测管，其特征在于光纤单元通道(7)内壁设有橡胶保护套(73)。

3、根据权利要求1所述的分布式光纤形变探测管，其特征在于管腔体(4)的左端口设有左端盖(41)，管腔体(4)的右端口设有右端盖(42)。

4、根据权利要求3所述的分布式光纤形变探测管，其特征在于右端盖(42)包括一法兰盘(421)和与其连接的光纤支架(422)。

5、根据权利要求1所述的分布式光纤形变探测管，其特征在于管腔体(4)内腔的各端口与连接处均设有密封圈(43)。

6、实现权利要求1所述的分布式光纤形变探测管的检测方法，其特征在于管腔体(4)的自由端置入被检测介质中，管腔体(4)的固定端与分布式光纤传感分析仪连接，管腔体(4)经由介质形变-介质下沉-管腔体自由端下斜-管腔体自由端质量块滑向管端-下光纤通道光纤被拉伸-分布式光纤传感分析仪检测信号，或者管腔体(4)经由介质形变-介质隆起-管腔体自由端上翘-管腔体固定端质量块滑向管端-上光纤通道光纤被拉伸-分布式光纤传感分析仪检测信号。

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