CN101701800A - 光纤测斜传感器及尾矿库光纤测斜系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤测斜传感器，它包括普通ABS测斜管，其特征是穿过所述测斜管安装有n节首尾依次铰接在一起的刚性连接棒，n≥4，在刚性连接棒的两端分别设置偏心凸舌和轴心凸舌，前一刚性连接棒的偏心凸舌与相邻刚性连接棒的轴心凸舌相铰连；在所述偏心凸舌向心表面设置有簧片固定座，偏心凸舌上设置有轴孔，弹性簧片一端固定安装在所述簧片固定座上；所述轴心凸舌的一面上设置有与偏心凸舌上的轴孔配合的转轴，轴心凸舌上与转轴相对的一面上设置有楔块，所述弹性簧片另一端搭接在楔块上并使弹性簧片产生预应力；在所述弹性簧片上背对楔块的一面粘贴封装有光纤光栅；所述相邻刚性连接棒的偏心凸舌和轴心凸舌以及封装有光纤光栅的弹性簧片组成形变传感关节。

Description

光纤测斜传感器及尾矿库光纤测斜系统

技术领域

本发明为针对尾矿库坝体形变监测而设计的光纤测斜传感器。该传感器采用光纤传感技术，结合简单巧妙的机械设计，实现了无需供电环境下尾矿库大坝坝体内部形变的长期远程在线监测。

背景技术

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的、用以堆存金属非金属矿山矿石选别后排出的尾矿的场所。它是维持矿山正常生产的必要设施，也是金属非金属矿山的重大危险源。作为具有高势能的人造泥石流危险源，尾矿库一旦发生溃坝事故，将会给下游人民的生命财产安全造成巨大损失，给周边环境造成严重污染。自2005年以来，全国发生尾矿库溃坝等重特大事故1起、死亡41人，重伤1人，轻伤28人。其中，2006年4月30日陕西镇安尾矿库溃坝，造成17人死亡、5人受伤。2008年9月8日，山西襄汾发生特大尾矿库溃坝事故，造成260多人死亡。因此加强尾矿库的安全监管，把握尾矿库的安全现状，减少尾矿库的事故发生对维护人民生命财产，提高矿山企业经济效益具有重要意义。

要做好尾矿库监管，首先必须对尾矿库运行的主要技术参数如坝体形变、干滩长度、库水位、浸润线埋深等进行监测。目前针对库水位、浸润线、干滩长度等参数的检测都已经有成熟技术和产品了，可以通过电子产品轻松实现，但是坝体形变检测技术还不成熟。

目前用于监测坝体形变的传感器，一种是GPS技术的无线检测系统；另一种是激光全站仪；最近刚出现的光纤位移传感器也被用来检测坝体位移。但是这些技术并不能很好地解决坝体形变长期监测需求，特别是坝体内部形变。

1、GPS系统是基于卫星定位的无线定位传感器，这种传感器分布在大坝上，通过卫星进行定位监测。但是这种传感器存在严重缺陷是无法长期监测内部形变，往往只用它来做坝体表面位移，而大坝内部的形变才真正反映坝体的安全性能。并且GPS位移检测系统极易遭雷击，对于尾矿库监测而言需要经常维护和更换，成本相当高。此外，GPS在坝体形变监测中，检测精度低，长期监测误差较大。

2、激光全站仪检测精度高，误差小，近几年普遍被应用于工程测量等方向。激光全站仪在大坝形变监测上也占有一定的份额，但是激光全站仪最受制约的问题是其对天气的适应性。激光全站仪在大雾以及下雨天气无法正常使用，大雾和雨水可以将激光全站仪发出的激光遮挡损耗，因此无法正常工作。

往往在暴雨、雷击等恶劣天气下，尾矿库的安全性能最为薄弱，最易发生溃坝等重大事故，此时对坝体的安全监测至关重要。因此GPS系统以及激光全站仪都是在最需要的时刻受到传感器自身特性制约而无法正常使用。

3、光纤位移传感器。光纤传感技术是伴随着光纤通信自上世纪70年代发展起来的一门多学科交叉技术。近年来研究和应用的发展都比较迅速，目前已经研制出两千多种基于光纤的传感器，可以用于测量温度、压力、应变、振动、超声等物理量^[3]。为了提高尾矿库在恶劣环境下的监测安全性和稳定性，避免天气等因素影响，光纤位移传感器在近期被推出使用。但是光纤位移传感器所测量的往往是沿坝体坡面的位移，无法监测垂直内部的位移量；光纤位移计是监测两点之间的位移，因此很难使用光纤位移计反演出坝体内部的真实三维变化曲线。

传统的方法主要是人工定期用传统仪器到现场进行测量，安全监测工作量大，受天气、人工、现场条件等许多因素的影响，存在一定的系统误差和人工误差。同时，人工监测还存在不能及时监测尾矿库的各项技术参数，难以及时掌握尾矿库各项安全技术指标等缺点，这些都将影响尾矿库的安全生产和安全管理水平，因此采用先进的技术进行尾矿库坝安全监测势在必行。

发明内容

针对以上生产生活中出现的亟需解决的技术问题，本发明设计了一种用于尾矿库坝体内部形变监测的测斜仪，该技术可以实现尾矿库坝体内部形变的三维再现，不受天气环境影响，长期在线远程检测，无人值守，免维护。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种光纤测斜传感器，它包括普通ABS测斜管，其特征是穿过所述测斜管安装有n节首尾依次铰接在一起的刚性连接棒，n≥4，在刚性连接棒的两端分别设置偏心凸舌和轴心凸舌，前一刚性连接棒的偏心凸舌与相邻刚性连接棒的轴心凸舌相铰连；所述偏心凸舌包括平行于刚性连接棒轴线且相互平行的第一平面和第二平面，在所述偏心凸舌上设置有垂直于第一平面的轴孔，在所述第一平面还设置有簧片固定座，弹性簧片一端固定安装在所述簧片固定座上；所述轴心凸舌包括平行于刚性连接棒的轴线且相互平行的第三平面和第四平面，在所述轴心凸舌上设置有垂直于第四平面的转轴，所述第三平面上设置有楔块，所述弹性簧片另一端搭接在楔块上并使弹性簧片产生预应力；在所述弹性簧片上与楔块相对的一面粘贴封装有光纤光栅；所述相邻刚性连接棒的偏心凸舌和轴心凸舌以及封装有光纤光栅的弹性簧片组成形变传感关节。楔块安装在弹簧片内侧(靠近转轴一侧)，光纤光栅贴装在弹簧片外侧(远离转轴一侧)，当两根连接棒角度发生弯曲时，传感关节因为机械变化造成弹簧片也随之发生弯曲，进而造成光纤光栅受到应力发生变化，通过光纤光栅对于外部应力变化的敏感造成中心波长的变化来实现了侧斜的检测；由于弹簧片与楔块之间有预弯曲，因此，不单一个方向的弯曲可以测量，同时反向的也可以测量，当角度正向时弹簧片弯曲变大，当角度反向时，弹簧片弯曲变小。

本方案的具体结构是：所述楔块为三棱柱、四棱柱、圆柱。所述刚性连接棒的偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面平行。所述刚性连接棒偏心凸舌的第一平面和刚性连接棒轴心凸舌的第三平面垂直。

一种尾矿库光纤测斜系统，其特征是它包括与光纤耦合器连接的光源和光纤光栅解调仪，所述光纤耦合器通过光纤与光纤测斜传感器上的光纤光栅连接。

本方案的具体结构是：所述光纤测斜传感器的刚性连接棒是偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面平行的刚性连接棒。所述光纤测斜传感器的刚性连接棒是偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面垂直的刚性连接棒。

所述光纤测斜传感器包括两种刚性连接棒：一是偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面平行的刚性连接棒，二是偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面垂直的刚性连接棒。所述刚性连接棒的偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面平行。所述刚性连接棒偏心凸舌的第一平面和刚性连接棒轴心凸舌的第三平面垂直。

一种光纤测斜传感器，它包括普通ABS测斜管，其特征是穿过所述测斜管安装有n节首尾依次铰接在一起的刚性连接棒，n≥4，在刚性连接棒的两端分别设置偏心凸舌和轴心凸舌，前一刚性连接棒的偏心凸舌与相邻刚性连接棒的轴心凸舌相铰连；在所述偏心凸舌向心表面设置有簧片固定座，偏心凸舌上设置有轴孔，弹性簧片一端固定安装在所述簧片固定座上；所述轴心凸舌的一面上设置有与偏心凸舌上的轴孔配合的转轴，轴心凸舌上与转轴相对的一面上设置有楔块，所述弹性簧片另一端搭接在楔块上并使弹性簧片产生预应力；在所述弹性簧片上背对楔块的一面粘贴封装有光纤光栅；所述相邻刚性连接棒的偏心凸舌和轴心凸舌以及封装有光纤光栅的弹性簧片组成形变传感关节。

本发明的有益效果是：

1、传感器部分采用光纤光栅作为传感元件，无需供电，便于波分复用构成监测网，多个传感器公用一根光纤传输，既节省成本，又使得结构简单可靠。

2、探头的机械设计巧妙简单，没有非常复杂的结构，轻便易安装，实用性强；

3、传感器探头部分安装的光纤光栅采用预应力设计，使得传感器不仅在夹角θ为正时能够测量，并且在θ为负时也能够测量。

4、针对尾矿库坝体形变，该传感器可以精确地实现坝体内部形变状态的监测，同时能够反演出内部三维形变情况，为尾矿库坝体安全检测提供了非常直观的监测技术；

5、采用了先进的光纤传感器技术替代传统的GPS定位仪和激光全站仪等监测手段，使其不怕雷击、无须供电、远程检测、全天候工作不受雾雨影响、内部监测、长期可靠等优点；

光纤尾矿库坝体测斜传感器，通过光纤作为信号传输介质，无须供电，结构简单，可以实现远程在线监测，同时，光纤传感器具有长期稳定性好，易于成网等优点，有利于对尾矿库大坝坝体形变情况长期稳定全方位监测，对于生产生活的安全性提高具有非常重大的意义。

附图说明

图1是坝体形变测斜传感器安装示意图；图2为尾矿库光纤测斜传感器解剖图；图3为尾矿库光纤测斜传感器原理图；图4为坝体位移计算图示；图5是坝体形变三维反演效果图；图6是尾矿库光纤测斜系统整体原理图；图7是弹簧片预应力形变示意图；图中：1-测斜管；2-形变传感关节；3-刚性连接棒；4-轴孔，5-转轴，6-弹性簧片，7-楔块，8-刚性连接棒A，9-刚性连接棒B，10-簧片固定座，11-第一测斜传感器，12-第二测斜传感器，13-第n-1测斜传感器，14-第n测斜传感器，15-光纤耦合器，16-偏心凸舌，17-轴心凸舌，18-弹片内侧，19-弹片外侧，20-第一平面，21-第二平面，22-第三平面，23-第四平面。

具体实施方式请

如图1、图2、图3所示，光纤测斜传感器包括普通ABS测斜管1，穿过所述测斜管1安装有n节首尾依次铰接在一起的刚性连接棒3，n≥4，在刚性连接棒3的两端分别设置偏心凸舌16和轴心凸舌17，前一刚性连接棒的偏心凸舌与相邻刚性连接棒的轴心凸舌相铰连；所述偏心凸舌16包括平行于刚性连接棒轴线且相互平行的第一平面20和第二平面21，在所述偏心凸舌16上设置有垂直于第一平面20的轴孔4，在所述第一平面20上还设置有簧片固定座10，弹性簧片6一端固定安装在所述簧片固定座10上；所述轴心凸舌17包括平行于刚性连接棒的轴线且相互平行的第三平面22和第四平面23，在所述轴心凸舌17上设置有垂直于第四平面23的转轴5，所述第三平面22上设置有楔块7，所述弹性簧片6另一端搭接在楔块7上并使弹性簧片6产生预应力，如图7所示；在所述弹性簧片6上与楔块7相对的一面粘贴封装有光纤光栅；所述相邻刚性连接棒的偏心凸舌和轴心凸舌以及封装有光纤光栅的弹性簧片6组成形变传感关节。楔块7安装在弹性簧片6内侧18，光纤光栅贴装在弹性簧片6外侧19，所述楔块7为三棱柱、四棱柱、圆柱。所述刚性连接棒的偏心凸舌16的第一平面20和轴心凸舌17的第三平面22平行。所述刚性连接棒偏心凸舌16的第一平面20和刚性连接棒轴心凸舌17的第三平面22垂直。

如图6所示的一种尾矿库光纤测斜系统包括与光纤耦合器15连接的光源和光纤光栅解调仪，所述光纤耦合器15通过光纤与光纤测斜传感器连接。

所述光纤测斜传感器的刚性连接棒是偏心凸舌16的第一平面20和轴心凸舌17的第三平面22平行的刚性连接棒。所述光纤测斜传感器的刚性连接棒是偏心凸舌16的第一平面20和轴心凸舌17的第三平面22垂直的刚性连接棒。

所述光纤测斜传感器包括两种刚性连接棒：一是偏心凸舌16的第一平面20和轴心凸舌17的第三平面22平行的刚性连接棒，二是偏心凸舌16的第一平面20和轴心凸舌17的第三平面22垂直的刚性连接棒。

本发明传感器主要针对尾矿库大坝坝体内部形变而设计，在具体制作过程中，首先按照图2所示结构加工机械连接件；安装弹性簧片6，并将光纤光栅贴装在弹性簧片外侧上；使两端弹性棒成0度角，固定三角楔，并使其造成弹性簧片有一定的预弯曲，形成光栅的预应力。以上是完成传感器探头部分的组装与制作，然后如图6所示为整套测斜系统地结构图。光源采用普通宽光谱光源，例如常用ASE光源、宽带的SLD光源等都可以实现；光源发出的光经过光纤耦合器15进入分线器分成多路，每路都连接在分布于大坝上的传感器上，每一路探头返回的光信号原路返回到光纤耦合器15，进入光纤光栅解调仪，光纤解调仪采用常用几种光纤光栅解调仪都可以实现波长解调功能，文献1-5几种等都可以实现。

对于测斜仪传感器探头的安装，在尾矿库大坝坝体上垂直钻孔，并安装放置ABS材料普通测斜管；将光纤尾矿库测斜传感器首位相接慢慢垂直放置于测斜管内，直至刚好达到要测的深度上。

通过光纤光栅解调仪来实现记录各个位置的光纤光栅中心波长；当一段时间后，大坝坝体出现了形变，则会致使各个位置的光纤光栅中心波长与刚安装完毕时相比产生了波长变化，根据变化则可以计算出产生夹角大小，通过公式(6)可以计算出每个节点的位移状况，然后综合多个传感器便能够实现如图4类似的大坝坝体内部形变的反演效果。

如图1所示，坝体内部首先打孔，安装一根测斜管1，测斜管为目前普遍使用的普通ABS测斜管。如果坝体内部发生了形变，则测斜管1也随之形变，因此，测斜管的形变便是对应坝体内部位置的形变，图1中为一内部形变实例。光纤测斜传感器安装在测斜管1中间，主要由多节刚性连接棒3和形变传感关节2组成。刚性连接棒在测斜管中是不发生弯曲；形变传感关节2发生弯曲，使刚性连接棒A8与刚性连接棒B9之间产生一夹角；

形变传感关节详细图如图2、图3所示。刚性连接棒A 8与刚性连接棒B 9通过转轴5、转轴孔4连接在一起，能够实现平面内自由转动；弹性簧片6固定在簧片固定座10上，楔块7固定在刚性棒A8上；当发生转动时，楔块7会挡住弹性簧片6的转动，从而造成一定的弯曲，转动角度越大，弯曲程度越大，通过监测弹性簧片6的形变情况便可以监测到两根刚性棒之间的夹角，通过检测到的夹角进一步可以确定发生的位移情况。

本专利中采用了光纤光栅来检测弹性簧片6发生的弯曲，光纤光栅封装粘贴在弹性簧片6上，当弹性簧片发生弯曲时引起光纤光栅受力变化。

光纤光栅是通过改变单模光纤芯区的折射率，使其产生小的周期性调制而形成的，其折射率变化通常仅在10^-5～10^-3之间。将光纤置于周期性空间变化的紫外激光光源下，即可在光纤纤芯中产生这种折射率变化，由于周期性折射率的扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，这样光纤光栅实际上就起到了光波选择反射镜的作用。在光纤光栅中，反射中心波长λ_B可由下式确定：

λ_B＝2n_effΛ                    (1)

式中：n_eff是光纤光栅芯区的有效折射率；Λ为光纤光栅的栅距周期。当光栅所受应变发生变化时，会导致其芯区的有效折射率n_eff和栅距周期Λ的变化，从而使波长λ_B发生偏移。通过检测λ_B的偏移量，即可获得相应的应变大小，这就使得光纤光栅可以作为传感器使用。

由式(1)，光纤光栅中心波长位移可写成

Δλ_B＝2ΛΔn_eff+2n_effΔΛ        (2)

另由弹性力学的知识可得，光纤布拉格光栅中心波长λ_B随温度和轴向应变的变化可表示为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ}\left\{\right\{1-\left[\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^2}{2}\right][P_{12}-\mathrm{\μ}(P_{11}+P_{12})]\}\mathrm{\ϵ}+({\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\ξ}}_s)\mathrm{\ΔT}\}---\left(3\right)$

式中：ε为轴向应变；P11和P12为光纤材料的光弹性系数；μ为光纤材料的泊松比；α_s和ξ_s分别为光纤材料的热膨胀系数和热光系数；ΔT为温度变化量。对于锗硅光纤，把材料的各特性参数代入式(3)，可得

Δλ_B＝0.78λ_Bε+6.67×10^-6λ_BΔT    (4)

当仅考虑应力作用时，可知光纤光栅应力传感器的传感机理是：

Δλ_B/λ_B＝0.78ε    (5)

可见，光纤光栅传感器的反射波长与应变有良好的线性关系，由反射波长位移量λ_B即可方便地求出所测温度和应力的大小，进而得出传感器部位发生的偏转角度。在此发明中实际应用时，光纤光栅贴装在弹性簧片上，当三角楔对弹性簧片压力不同时，造成簧片发生弯曲程度不同，从而造成光纤光栅受到外部应力不同，最终可以体现在λ_B的位移量上。

光纤光栅的波长解调，由光纤光栅解调仪完成。文献1-5为几种常用的光纤光栅解调的解决方法，目前光纤光栅解调仪已经有很多成熟研究和产品了。本专利主要介绍光纤传感器探头的设计，光栅解调由普通的光纤光栅解调仪(文献1-5)即可实现，无需赘述。

坝体内部位移的计算如下：如图4所示，当坝体发生形变时，连结在一起能够转动的两节刚性连接棒产生一夹角θ，刚性连接棒长度是确定的，为L，因此发生的位移d便可以非常容易地计算得出：

d＝sin(θ)*L                    (6)

在实际尾矿库坝体监测中，如图6所示，可以同时安装监测多路传感器进行多个位置的内部形变测量，由于每个光栅采用的中心波长不同，因此，可以利用波分复用技术，将多路信号在同一解调仪进行解调，实现多路传感器一台解调仪解调。一根测斜管中会由很多节刚性棒带传感器连接在一起，通过公式(6)可以计算出每一节的位移量，最终便可以得出每一个位置的位移量。只需要将相邻的两节传感器平面方向交替转动90度，实现三维形变量变化的监测。如图5为多节传感器最终模拟出坝体形变的效果图，可以非常简单直观地监测到坝体各部位坝体形变情况，为坝体安全监测提供了非常有利的监测工具。

参考文献：

[1]A D Kersey，T A Berkof，W W Morey.High resolution fibre-grating based strainsensor with interferometric wavelength-shift detection[J]I Electronics Letters，1992，28(3)：236-238.

[2].何士雅，胡曙阳，赵啟大.光纤传感的波长解调装置：中国，200620172811.0.2006-12-29

[3]汪克.多通道光纤光栅解调器：中国，CN200989791.2006-10-31

[4]黄冲，蔡海文，方祖捷.光纤光栅波长解调器：中国，CN2783349.2005-04-29

[5]王晓旭，赖康生，林钧岫.一种光纤光栅波长解调方法：中国，CN1584725.2004.06.12。

Claims (10)

1.一种光纤测斜传感器，它包括普通ABS测斜管，其特征是穿过所述测斜管安装有n节首尾依次铰接在一起的刚性连接棒，n≥4，在刚性连接棒的两端分别设置偏心凸舌和轴心凸舌，前一刚性连接棒的偏心凸舌与相邻刚性连接棒的轴心凸舌相铰连；所述偏心凸舌包括平行于刚性连接棒轴线且相互平行的第一平面和第二平面，在所述偏心凸舌上设置有垂直于第一平面的轴孔，在所述第一平面还设置有簧片固定座，弹性簧片一端固定安装在所述簧片固定座上；所述轴心凸舌包括平行于刚性连接棒的轴线且相互平行的第三平面和第四平面，在所述轴心凸舌上设置有垂直于第四平面的转轴，所述第三平面上设置有楔块，所述弹性簧片另一端搭接在楔块上并使弹性簧片产生预应力；在所述弹性簧片上与楔块相对的一面粘贴封装有光纤光栅；所述相邻刚性连接棒的偏心凸舌和轴心凸舌以及封装有光纤光栅的弹性簧片组成形变传感关节。

2.根据权利要求1所述的光纤测斜传感器，其特征是所述楔块为三棱柱、四棱柱、圆柱。

3.根据权利要求2所述的光纤测斜传感器，其特征是所述第一平面和第三平面平行。

4.根据权利要求2所述的光纤测斜传感器，其特征是所述第一平面和第三平面垂直。

5.一种尾矿库光纤测斜系统，其特征是它包括与光纤耦合器连接的光源和光纤光栅解调仪，所述光纤耦合器通过光纤与光纤测斜传感器上的光纤光栅连接。

6.根据权利要求5所述的尾矿库光纤测斜系统，其特征是在所述光纤耦合器和光纤测斜传感器之间的光路上设置有分线器。

7.根据权利要求5所述的尾矿库光纤测斜系统，其特征是所述光纤测斜传感器的刚性连接棒是偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面平行的刚性连接棒。

8.根据权利要求5所述的尾矿库光纤测斜系统，其特征是所述光纤测斜传感器的刚性连接棒是偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面垂直的刚性连接棒。

9.根据权利要求5所述的尾矿库光纤测斜系统，其特征是所述光纤测斜传感器包括两种刚性连接棒：一是偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面平行的刚性连接棒，二是偏心凸舌的第一平面和轴心凸舌的第三平面垂直的刚性连接棒。

10.一种光纤测斜传感器，它包括普通ABS测斜管，其特征是穿过所述测斜管安装有n节首尾依次铰接在一起的刚性连接棒，n≥4，在刚性连接棒的两端分别设置偏心凸舌和轴心凸舌，前一刚性连接棒的偏心凸舌与相邻刚性连接棒的轴心凸舌相铰连；在所述偏心凸舌向心表面设置有簧片固定座，偏心凸舌上设置有轴孔，弹性簧片一端固定安装在所述簧片固定座上；所述轴心凸舌的一面上设置有与偏心凸舌上的轴孔配合的转轴，轴心凸舌上与转轴相对的一面上设置有楔块，所述弹性簧片另一端搭接在楔块上并使弹性簧片产生预应力；在所述弹性簧片上背对楔块的一面粘贴封装有光纤光栅；所述相邻刚性连接棒的偏心凸舌和轴心凸舌以及封装有光纤光栅的弹性簧片组成形变传感关节。

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