CN101625230B - 分布式光纤大变形测量传感器 - Google Patents

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Abstract

分布式光纤大变形测量传感器，将应变传感光纤植入到大变形测量的弹簧中，尤其是植入或固定在与所述弹簧连动的弹簧簧杆上，大变形测量的弹簧的一端与弹簧簧杆固定，使弹簧发生伸缩变形时，弹簧变形量对应于弹簧簧杆变形量并与应变传感光纤应变量有对应关系，通过测量光纤应变即可得到弹簧变形量，实现弹簧的大变形向光纤的小应变的转化；所述应变传感光纤是连接布里渊背向散射光功率的测量仪的光纤。本发明传感器具有大量程且量程可变、稳定可靠、耐腐蚀、温度自补偿、可实现多个串联、易于工业生产和安装方便等特点。

Description

分布式光纤大变形测量传感器
一、技术领域：
本发明涉及分布式光纤传感技术，通过特殊的封装工艺实现光纤小应变量向大变形量的转化，该传感器适用于具有较大变形的各类工程的变形或位移的监测，属于传感器技术领域。
二、背景技术：
BOTDR(Brillouin optical time-domain reflectometer)，中文名称为布里渊散射光时域反射测量计，是一种分布式的光纤技术，可以连续测量几十公里范围内光纤的应变和温度分布。其基本原理是：脉冲激光注入光纤后，与声学声子作用发生布里渊散射，布里渊散射光的频率漂移量与光纤的应变或温度变化线性相关，依据该线性关系，通过测量光纤中的布里渊频移量就可以实现光纤应变和温度的测量。
目前，该技术已被成功地应用于建筑、隧道、堤坝等构筑物的安全监测中。国内外已有的成功案例表明，该技术有着广阔的发展前景。但在实际工程中，特别是诸如岩土工程等工程监测应用中，需要测量的变形或位移量往往都较大，超出一般传感器的量程，难以满足工程要求。同时，由于光纤中的布里渊散射光对应变和温度交叉敏感，因此，有必要研发在满足精度要求的前提下，能实现具有温度补偿功能的大量程变形传感器。
本发明正是基于上述的光纤传感技术，针对大变形的量测而研发的特殊传感器。
三、发明内容：
本发明的目的是：提出一种分布式光纤大变形测量传感器和测量方法，将能精确测量微小应变的光纤经过特殊的封装，实现对工程中出现的较大变形或位移的测量，并且实现光纤传感器的温度自补偿。
本发明的目的是这样实现的：分布式光纤大变形测量传感器，将应变传感光纤通过一定方式植入到大变形弹簧簧杆的内外两侧上，并使弹簧一端固定，一端自由。当自由端发生位移时，弹簧将沿轴向产生伸缩变形，弹簧簧杆将也发生影响的弹性扭曲小变形，内外两侧产生对应的拉压附加应变，粘贴在其上的传感光纤随之协调变形，利用此换能模型就实现了弹簧大变形按固定倍数向光纤小应变转换。通过测量光纤应变即可得到弹簧变形量，按照弹簧变形量与弹簧簧杆变形量转换倍数关系，即可得到弹簧的拉伸变形了，实现大变形或位移的传感测量。
光纤的应变可通过基于布里渊背向散射技术进行测量，即通过仪器测得封装入弹簧中的光纤段中背向布里渊背向散射光中心频率的漂移量，利用光纤中散射光的频移与光纤的应变间的线性关系，获取该段光纤的应变值。光纤以内置方式封装到弹簧簧杆中，提高传感的耐久性，将贴有传感光纤的弹簧通过底座、顶板及套筒等封装成一个成型位移传感器，将其安装到被测物上即可进行位移及变形测量。弹簧簧杆内外侧对称布设光纤，当有温度变化时，测得的应变呈现共轭关系，可利用此关系对传感器进行温度自补偿。
本发明的上述方案也构成分布式光纤大变形测量传感测量方法。
与传统的变形传感器相比，本发明有益效果如下：
1、本发明是一种大量程变形传感器，本传感器采用的核心传感元件是普通的单模光纤，与普通的电式、电磁式或者机械式传感器件相比，抗电磁干扰、耐腐蚀、精度高、耐久性和长期稳定性好，适合恶劣环境下的变形监测。而且光纤本身不会对外界环境产生电磁干扰，本质上安全。在应用中可以保证较高的成活率。
2、通过改变弹簧的几何尺寸和弹簧的材料，可以轻松实现不同量程范围的传感器，满足不同工程需要。
3、通过在簧杆内外侧布设对称的两根光纤，可以实现传感器的温度自补偿，解决了温度变化对变形测量的干扰问题。
4、可以将多个传感器串联，建立准分布式的大变形监测网络，大大简化传统传感器线路布设问题。由于BOTDR技术具有长距离传感的(最大可达80km)特点，可以轻松组建大型的传感网络，满足大型工程的需要，并且传感网络中的连接各变形传感器的光纤既可以传输信号，又可以作为应变传感器对工程结构进行分布式应变监测，极大的提高线路利用率，这是传统的监测技术所不能企及的。
5、本发明的制作和加工方法适合机械操作，容易实现机械化批量生产，且采用普通单模通讯光纤作为核心传感元件，成本较低，适合工业化生产。
6、可以根据被测对象，选择不同的固定装置，安装方便。
本发明传感器具有大量程且量程可变、稳定可靠、耐腐蚀、温度自补偿、可实现多个串联、易于工业生产和安装方便等一系列优点，适用于边坡、隧道、基坑等岩土(地质)工程中变形及位移的监测。
四、附图说明
图1是弹簧簧杆光纤布设示意图
图2是基于分布式光纤应变传感的大量程变形传感器结构示意图
图3是本发明一实施例的弹簧变形与光纤应变关系图
1弹簧、2弹簧轴线、3簧杆、4光纤、5胶粘剂、6弹簧外侧，11顶板、13套筒、14内置传感光纤的弹簧、15弹簧固定装置、16底座
五、具体实施方式
本发明采用紧套单模光纤或者单模裸纤，同一个传感器采用相同的光纤。所述的传感器还包括封装装置，由护筒、顶板、底板、套筒、及弹簧、簧杆组成固定装置组成，弹簧在护筒、套筒内，弹簧的固定装置可以使弹簧与顶底板紧密连接，且保证弹簧与顶底板之间可以自由转动，消除扭矩对传感器测量精度的影响。传感器与被测物体通过螺栓，卡扣和磁铁等装置连接。
通过弹簧伸缩量与弹簧簧杆应变的对应关系，实现大变形(弹簧伸缩量)向小应变(簧杆应变)的转换。具体是在弹簧簧杆的最外侧刻槽，将传感光纤布设其内，利用BOTDR解调设备测得沿光纤各点的布里渊频移量，进而得到光纤各点的应变量。利用事先标定的弹簧伸缩量与弹簧簧杆应变的对应关系，就可以求得弹簧的伸缩量，实现对大变形或较大位移的测量。为了实现传感器的温度自补偿，在弹簧簧杆的内外两侧对称刻槽，利用内外侧传感光纤测得的布里渊频移量的关系，经过的简单的计算即可消除温度对光纤应变测量结果的干扰。弹簧伸缩量与光纤应变关系之间的对应关系采用本发明中的率定装置标定。
利用车床等设备在弹簧簧杆的内外侧对称刻槽，控制槽的宽度与深度使其与布设其内的光纤外径相吻合。光纤可根据需要和现有条件选择，但要保证光纤直径远小于弹簧簧杆的直径(图1)，以使光纤的植入不会对弹簧的力学性质产生大的扰动，为了保证测量的准确，应尽量选择稳定性好的紧套光纤或裸纤。光纤植入弹簧的过程中，对光纤施加一固定的沿凹槽切向的拉力，使光纤的初始应力分布均匀，防止因光纤初始应力分布不均对应变的测量产生干扰。随着光纤植入，同时向凹槽中注入胶粘剂，然后用热吹风机将胶黏剂烘干。植入光纤时在弹簧两端设置一定长度(2m以上)的引线，便于不同传感器之间的串联，组成准分布式的位移(变形)监测网络。将光纤植入弹簧后，即完成了分布式光纤大变形测量传感器的内核。
为将此种传感器应用到工程中，并取得良好的适用性和耐久性，还需对上述内核进行封装(图2)，以满足不同的工程需要。封装的器件主要包括两个护筒及弹簧与护筒之间的连接装置，还有整个传感器的固定装置。两个护筒可以自由相对运动，固定装置可根据传感器安装位置和环境采取不同的设计。
图3所示即为本发明的一实施例测得的弹簧位移与光纤应变关系图。对传感器施加外力使其逐级压缩，用钢尺测得每级压缩量，同时利用BOTDR解调仪器测量光纤的应变量，得到如图3的关系图，测试表明两者间呈很好的线性关系，其线性比例系数即为该类传感器的位移计算参数。

Claims (4)

1.分布式光纤大变形测量传感器，其特征是传感器封装装置由护筒、顶板、底板、大变形测量的弹簧及弹簧固定装置组成，弹簧固定装置使弹簧与顶板、底板紧密连接，且弹簧与顶底板之间自由转动，消除扭矩对传感器测量精度的影响；传感器与被测物体通过螺栓，卡扣或磁铁装置连接；将应变传感光纤植入或固定在与大变形测量的弹簧连动的弹簧簧杆上，大变形测量的弹簧的一端与弹簧簧杆固定，弹簧发生伸缩变形时，弹簧变形量对应于弹簧簧杆变形量并与应变传感光纤应变量有对应关系，通过测量光纤应变即可得到弹簧变形量，实现弹簧的大变形向光纤的小应变的转化；所述应变传感光纤是连接布里渊背向散射光功率的测量仪的光纤；在弹簧簧杆内外侧通过对称布设光纤，利用两侧光纤布里渊频移的关系通过计算实现传感器的温度自补偿。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤大变形测量传感器，其特征是应变传感光纤为紧套单模光纤或者单模裸纤，同一个传感器采用相同的光纤。
3.如权利要求1所述的分布式光纤大变形测量传感器，其特征是弹簧的几何尺寸、旋绕升角簧杆直径、和弹簧簧杆的材料根据传感器的量程选择设计。
4.分布式光纤大变形测量传感方法，其特征是将应变传感光纤植入或固定在与弹簧连动的弹簧簧杆上，大变形测量的弹簧的一端与弹簧簧杆固定，使弹簧发生伸缩变形时，弹簧变形量对应于弹簧簧杆变形量并与光纤应变量有对应关系，通过测量光纤应变即可得到弹簧变形量，实现弹簧的大变形向光纤的小应变的转化；所述应变传感光纤是连接布里渊背向散射光功率的测量仪的光纤；且在弹簧簧杆内外侧通过对称布设光纤，利用两侧光纤布里渊频移的关系通过计算实现传感器的温度自补偿。
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