CN101738170A - 一种用于大变形量测的分布式光纤传感器 - Google Patents
一种用于大变形量测的分布式光纤传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于大变形量测的分布式光纤传感器，属于土木工程测试仪器领域。本传感器主体结构由金属杆体与内置光纤的外层橡胶体组成，金属杆体与外层橡胶体之间设置润滑层，外层橡胶体内布设四根光纤，其中两根光纤按照螺旋状布设于外层橡胶体表层，与橡胶体组成实体，共同变形，同时在外层橡胶体层内设预留孔，孔内布设另外两根光纤，连接组成回路，作为温度补偿，可消除温度效应对测量结果的影响。测量时，外部岩土体变形引起传感器外层橡胶体沿轴向变形，由于用于量测变形的光纤按照螺旋状布设，沿光纤轴向仅发生微小变形，从而实现大变形量测。本传感器可应用于土木工程、采矿工程等领域中的岩土体或结构物的沉降、滑移、离层等现象的大变形量测，加工方便，结构简单，造价低廉。
Description
技术领域
本发明属于土木工程测试仪器领域，涉及岩土工程、边坡工程、隧道工程中岩土体或结构物的变形、沉降、滑移、离层等现象的大变形量测。
背景技术
国内外的岩土体应力、变形监测中，大多数采用测斜管、压力计和位移计等单点式测量方法，由于岩土体变形的复杂性，尤其是其变形的不连续性，当传感器随岩土体产生整体变形时，无法得到真实的测量结果，同时由于点测方法无法实现分布式连续监测，进而无法得到有效、准确的测量结果。
分布式光纤传感技术是在上世纪七十年代伴随着光纤通信的蓬勃发展而提出来的，它与光时域反射技术密切结合迅速崛起，经过几十年的发展而在多个领域广泛应用。主要包括基于瑞丽后向散射的传感技术、基于布里渊散射的分布式光纤传感技术、基于拉曼后向散射的温度传感技术以及偏振模耦合分布式光纤传感技术。在土木工程测试领域，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术应用最为广泛。随着分布式光纤传感技术的发展，不仅可以准确测量区域内的变形，而且能够对变形部位进行精确定位，使得岩土体变形监测能够实现及时准确量测。但目前在采用分布式光纤的岩土体变形监测系统中，组成光纤线路或光纤网络的光纤直接或间接承受外部变形，光纤会产生较大变形，尤其在边坡岩土体变形测量时，由于光纤本身所能承受的变形量很小，导致系统量程较低，无法推广到大变形岩土工程监测中。
发明内容
本发明目的是在于解决上述之不足，提出的可测量大变形的分布式光纤传感器，其主体结构由金属杆体与内置光纤的外层橡胶体组成，两根光纤按照螺旋状布设于外层橡胶体表层，以实现大变形岩土工程监测。
本发明包括金属杆体5、内置光纤的外层橡胶体6，应变测量的光纤一1和光纤二2、松驰状温度校正光纤三3和光纤四4、连接套筒内层金属管9、连接套筒外层橡胶体8，还包括以下特征：
1)外层橡胶体6套于金属杆体5外部，金属杆体5与外层橡胶体6之间设置润滑层11。
2)光纤一1和光纤二2螺旋状布设于传感器外层橡胶体6内，与外层橡胶体6共同变形，量测因岩土体变形及温度改变产生的变形，外层橡胶体6内设预留孔7，光纤三3和光纤四4呈松弛状态穿过，量测因温度改变产生的变形，作为温度校正。
3)在数据采集端，光纤一1、光纤二2、光纤三3、光纤四4通过设在传感器端部的光纤出口12引出，并通过连接插头17连接分布式光纤解调仪19，进行数据采集。
4)外层橡胶体6和连接套筒外层橡胶体8表面均呈粗糙状，以利于与被测对象紧密粘结。
5)通过连接套筒连接多个传感器，实现大范围的变形测量。连接套筒由连接套筒内层金属管9和连接套筒外层橡胶体8构成，连接套筒外层橡胶体8内表面与连接套筒内层金属管9之间设润滑层11，可相对运动。连接套筒内层金属管9与传感器金属杆体5实现螺纹连接。
6)当测量不考虑温度效应时，可不包括传感器内布设的松驰状温度校正光纤三3和光纤四4。
7)所述光纤一(1)和光纤二(2)和外层橡胶体(6)粘结，共同变形。
8)非数据采集端的光纤一1和光纤二2直接熔接或使用光纤接头组成回路，光纤三3和光纤四4直接熔接或使用光纤接头组成回路。
传感器主体结构由金属杆体与内置光纤的外层橡胶体组成，高强度的金属杆体有利于保证传感器的刚度，利于传感器的安装；金属杆体与外层橡胶体之间设置润滑层，可保证岩土体的变形不受传感器金属杆体刚度的影响，确保变形量测量的准确性；易变形的外层橡胶体可与被测对象共同变形，确保变形的有效传递；外层橡胶体表面设置为粗糙表面，确保与被测对象的紧密接触，提高测量精度。
外层橡胶体内布设四根光纤，其中两根光纤(光纤一、光纤二)按照螺旋状布设于外层橡胶体表层，与橡胶体组成实体，共同变形，传感器橡胶体外层表面和被测对象紧密结合，被测对象产生变形时，引起传感器外层橡胶体轴向变形，但内布光纤呈螺旋状，沿光纤轴向仅发生微小变形，有利于消除沿传感器轴向不均匀变形及其它原因造成的测量误差；同时在外层橡胶体层内设预留孔，孔内布设另外两根光纤(光纤三、光纤四)，连接组成回路，作为温度补偿，可消除温度效应对测量结果的影响。外部岩土体变形引起传感器外层橡胶体沿轴向变形时，由于用于量测变形的光纤按照螺旋状布设，沿光纤轴向仅发生微小变形，从而实现大变形量测。
变形测量时，对于需要进行大范围监测的工程对象，可采用连接套筒连接多个传感器的方式进行量测。
大变形量测分布式光纤传感器涉及岩土工程、边坡工程、隧道工程中岩土体或结构物的变形、沉降、滑移、离层等现象的大变形量测，并且该传感器安装方便，克服了分布式光纤布设的困难，推广了分布式光纤技术在土木工程测试领域中的应用。
附图说明
图1传感器结构纵剖面图
图2传感器结构A-A剖面
图3传感器结构B-B剖面
图4传感器连接示意图
图5传感器连接D-D剖面
图6连接套筒纵剖面图
图7连接套筒E-E剖面
图8传感器间光纤连接示意图
图9数据采集端光纤连接示意图
图10非数据采集端光纤连接示意图
图中：1---光纤一、2---光纤二、3---光纤三、4---光纤四、5---金属杆体、6---外层橡胶体、7---橡胶体内预留孔、8---连接套筒外层橡胶体、9---连接套筒内层金属管、11---润滑层、12---传感器端部光纤出口、13---传感器外层表面、14---非数据采集端连接光纤、15---连接套筒外层表面、17---光纤连接插头、18---光缆、19---分布式光纤解调仪、20---连接螺纹、51---连接光纤一、52---连接光纤二、53---连接光纤三、54---连接光纤四
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
图1、图2、图3是传感器结构纵剖面图和A-A、B-B剖面图。如图所示，传感器主要由内层金属杆体5、外层橡胶体6和四根光纤构成，外层橡胶体6和金属杆体5之间设润滑层11，可确保外层橡胶体与金属杆体能产生相对运动。传感器外层(橡胶体外)表面13粗糙，能与被测对象(如岩土体)紧密结合，形成共同变形体，橡胶体层内设预留孔7，橡胶体两端设有光纤出口12。四根光纤中的光纤三3、光纤四4为温度校正光纤，呈松弛状态布设在橡胶体预留孔7中，光纤长度大于传感器长度的1.2倍(即留有超过20％的变形空间)，被测对象和橡胶体变形时温度校正光纤本身不发生变形；另外两根光纤(光纤一1、光纤二2)为变形量测光纤，一根光纤按螺旋状布设于外层橡胶体6中，另外一根按反向螺旋布设于外层橡胶体6中。内层金属杆体5两端设有连接螺纹20。
图4、图5是传感器安装连接示意及其剖面图。安装时，利用连接套筒将二个传感器进行螺纹连接。
图6、图7是连接套筒剖面图。如图所示，连接套筒由内层金属管9和外层橡胶体8构成。内层金属管9内表面设有与传感器端头配套的螺纹20，外表面光滑；外层橡胶体外表面15粗糙，内侧面光滑；橡胶体8内表面和金属管9外表面之间设润滑层11，可确保二者之间能自由地相对移动。
图8是传感器之间的光纤连接图。当多个传感器通过连接套筒连接时，通过各传感器端部的光纤出口12分别将各根光纤引出，采用直接熔接或使用光纤接头的方法连接各根对应光纤，即图中相邻传感器对应的光纤分别采用连接光纤一51，连接光纤二52，连接光纤三53，连接光纤四54进行连接。
图9是数据采集端光纤连接图。在需要采集数据的传感器端，通过传感器端光纤出口引出各根光纤后，通过光缆18和插头17连接至分布式光纤解调仪19。其中，光纤三3和光纤四4连接至光纤解调仪19组成量测回路，量测因温度改变产生的变形，作为变形量测时的温度补偿。光纤一1和光纤二2连接组成测量回路至光纤解调仪19，量测因岩土体变形及温度改变产生的变形，修正后可得到由岩土体变形导致的光纤变形。
图10是非数据端光纤连接图。在非数据采集端，引出的每根光纤，采用直接熔接或使用光纤接头的方法将量测变形光纤(光纤一1和光纤二2)和温度校正光纤(光纤三3和光纤四4)分别连接，组成两个测量回路。
变形量测时，被测对象(如岩土体)变形引起传感器外层橡胶体6轴向变形，但内布光纤呈螺旋状或松驰状，沿光纤轴向仅发生微小变形，从而实现大变形量测。
本传感器能够进行大变形监测。适用于公路、建筑、矿业等领域。同时，本发明加工方便、结构简单、造价低廉。
Claims (9)
1.一种用于大变形量测的分布式光纤传感器，其特征是：包括金属杆体(5)、内置光纤的外层橡胶体(6)，应变测量的光纤一(1)和光纤二(2)、松驰状温度校正光纤三(3)和光纤四(4)、连接套筒内层金属管(9)、连接套筒外层橡胶体(8)、光纤出口(12)。
2.如权利要求1所述的用于大变形量测的分布式光纤传感器，其特征是：外层橡胶体(6)套于金属杆体(5)外部，金属杆体(5)与外层橡胶体(6)之间设置润滑层(11)。
3.如权利要求1所述的用于大变形量测的分布式光纤传感器，其特征是：光纤一(1)和光纤二(2)螺旋状布设于传感器外层橡胶体(6)内，与外层橡胶体(6)共同变形，外层橡胶体(6)内设预留孔(7)，光纤三(3)和光纤四(4)呈松弛状态穿过，作为温度校正。
4.如权利要求1所述的用于大变形量测的分布式光纤传感器，其特征是：在数据采集端，光纤一(1)、光纤二(2)、光纤三(3)、光纤四(4)通过设在传感器端部的光纤出口(12)引出，并通过连接插头(17)连接分布式光纤解调仪(19)，进行数据采集。
5.如权利要求1所述的用于大变形量测的分布式光纤传感器，其特征是：所述外层橡胶体(6)和连接套筒外层橡胶体(8)表面均呈粗糙状。
6.如权利要求1所述的用于大变形量测的分布式光纤传感器，其特征是：连接套筒外层橡胶体(8)内表面与内层金属管(9)之间设润滑层(11)，连接套筒内层金属管(9)与传感器金属杆体(5)实现螺纹连接。
7.如权利要求1所述的用于大变形量测的分布式光纤传感器，其特征是：当测量不考虑温度效应时，不包括光纤三(3)和光纤四(4)。
8.如权利要求1所述的用于大变形量测的分布式光纤传感器，其特征是：所述光纤一(1)和光纤二(2)和外层橡胶体(6)粘结，共同变形。
9.如权利要求3或5所述的用于大变形量测的分布式光纤传感器，其特征是：非数据采集端的光纤一(1)和光纤二(2)直接熔接或使用光纤接头组成回路，光纤三(3)和光纤四(4)直接熔接或使用光纤接头组成回路。
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