CN103727980A - 一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统 - Google Patents

一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统 Download PDF

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李平
肖恺
张焰辉
赵浩
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本发明涉及到一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统,在边坡上设有抗滑桩,该抗滑桩底部伸入至边坡底部的基岩中,该光纤传感系统包括有光纤光栅传感网络、现场监控室、中央监控中心和远程客户端,抗滑桩上浇筑有FBG应变传感器和FBG温度传感器,传感器分别通过监测光缆连接至现场监控室内的光纤光栅网络分析仪上,在现场监控室内设有光纤光栅网络分析仪、监控电脑和报警器,光纤光栅网络分析仪连接监控电脑,报警器连接光纤光栅网络分析仪;设置于办公室内的中央监控中心一端连接光纤光栅网络分析仪,另一端通过因特网连接至远程客户端。本发明的光纤传感技术能够用来监测边坡抗滑桩的应变、温度等生理参数,可对边坡的安全状况进行实时有效监测。

Description

一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统
技术领域
本发明涉及到光纤光栅传感领域,具体地说,是涉及到一种基于光纤光栅传感器的用于监测边坡滑坡状况实时监测的光纤传感技术。
背景技术
光纤传感技术是在20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的,它是一种以光波为载体,光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的一种新型传感技术。这些光纤传感器根据作用范围又可以分为三类:点式传感器(如光纤微弯传感器、光纤Fabry-Perot传感器、光纤Bragg光栅传感器等),积分传感器(如光纤Michelson干涉仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪),分布式传感器(如利用布里渊散射效应制成的应变、温度分布式传感器)。作为点式传感器的一种,光纤光栅在传感领域的应用已经得到世界范围内的广泛重视,其具有其它传统电传感器无可比拟的优点,主要是:抗电磁干扰、耐腐蚀、测量范围宽、便于复用成网、小型化和维护成本低等。
目前,光纤光栅传感器主要用于建筑物和桥梁的健康监测和安全监控。用于结构监测的传统的应变电监测装置需要采用电缆来传递电源和输出信号,所需的电缆数目较大,且无法将其直埋入建筑结构内部,所以在实现长期实时监测方面具有很大的局限性,而光纤光栅传感器经过封装以后既可以贴在结构的表面,也可以直埋入结构中对结构进行实时监测。此外,其易构成高性能、低成本的传感阵列,在结构监测应用工程中具有巨大市场潜力。
我国是世界上地质灾难最严重的国家之一,每年由滑坡等边坡失稳灾难造成的损失数百亿,严重影响了人们群众的生命财产安全。传统的边坡稳定监测方法,如地质雷达、地震勘探法、大地精密测量法等,均具有监测的连续性、实时性和遥测性难以保证的缺点,因此,一种新的测量技术——光纤传感技术逐渐应用于滑坡等地质灾难的监测中。与传统测量方法相比,光纤光栅传感技术表现出独特的优点和卓越的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FBG光纤传感技术能够用于边坡滑坡参数测量的实时报警系统。本发明的光纤传感技术能够用来监测边坡抗滑桩的应变、温度等生理参数,可对边坡的安全状况进行实时有效监测,能自动地根据所监测到的数据决定是否发出预警信号,并能将数据及滑坡预警信号发送给管理人员,使其可以及时了解现场情况并给出相应的指示。
为了达到上述发明目的,本发明提供的技术方案如下:
一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统,所述边坡的底部设有基岩,在边坡上设有抗滑桩,该抗滑桩底部伸入至基岩中,其特征在于,该光纤传感系统包括有光纤光栅传感网络、现场监控室、中央监控中心和远程客户端,所述的抗滑桩上浇筑有FBG应变传感器和FBG温度传感器,该FBG应变传感器和FBG温度传感器分别通过监测光缆连接至现场监控室内的光纤光栅网络分析仪上,在现场监控室内设有光纤光栅网络分析仪、监控电脑和报警器,所述的光纤光栅网络分析仪连接监控电脑,所述的报警器连接光纤光栅网络分析仪;所述的中央监控中心设置于办公室内,所述的中央监控中心一端连接光纤光栅网络分析仪,中央监控中心的另一端通过因特网连接至远程客户端。
在本发明用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统中,所述FBG应变传感器布设在抗滑桩的主受力钢筋上,在所述抗滑桩的主滑动方向上受拉和受压侧各选择一根纵向钢筋,在纵向钢筋上面垂直方向等距离安装有多个FBG应变传感器,多个FBG应变传感器通过一根光纤串联,并且从一端引出的光纤连接至光纤光栅分析仪。
在本发明用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统中,用于测量滑坡周围温度的FBG温度传感器布设于抗滑桩上FBG应变传感器相邻的位置,且FBG温度传感器与FBG应变传感器平行。
在本发明用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统中,所述的光纤光栅网络分析仪包括有功率宽带光源、光耦合器、可协调F-P腔、光探测器、数据采集系统和数据处理系统,所述功率宽带光源连接光耦合器,光耦合器连接探测光缆,探测光缆连接抗滑桩上的光纤光栅传感器,光耦合器还连接至可协调F-P腔,可协调F-P腔依次连接光探测器、数据采集模块和数据处理模块。
在本发明用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统中,所述的数据采集模块包括有频移量计算单元、小波去噪单元、模式识别单元、光纤光栅应变传感器温度补偿单元、弯曲挠度计算单元、信息存储和比较单元。
基于上述技术方案,本发明的用于边坡滑坡状况实时监测的FBG传感技术在应用中具有如下技术优点:
1. 本发明提出对抗滑桩内竖向沿程应变的变化检测来判断抗滑桩周围土体的滑动情况,具体是将光纤光栅传感技术应用于边坡滑坡的系统监测,具有抗干扰、耐腐蚀、易于组网等优点明显;通过特定的载体实现了用光纤光栅传感技术监测滑坡深部位移和表部位移,与传统的监测边坡滑坡的深部位移和表部位移的技术手段相比,光纤光栅传感技术易于实现自动实时监测,空间分辨率高,且成本较低。
2.本发明在对边坡滑坡进行监测时,通过在每个抗滑桩上安装适当的传感器,通过特定的算法得出该抗滑桩内竖向沿程应变的最大应变分布,用最少的监测点实现监测目的,节约了成本,也减少了安装时间以及对土体的损坏。
3.由于所有的监测量均通过光纤光栅传感技术来实现,本发明的技术易于构建监测系统,易于实现边坡滑坡的监测数据实时自动采集分析及远程发布,远程实现自动报警;避免在了繁琐的人工采集数据,减少报警时间,这对边坡滑坡的应急措施的采取至关重要。
附图说明
图1是本发明基于光纤光栅的边坡滑坡实时监测系统构成示意图。
图2 是本发明基于光纤光栅的边坡滑坡实时监测系统原理框图。
具体实施方式
下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的用于边坡滑坡参数测量的报警系统做进一步的详细说明,以求更为清楚明白地理解其工作原理和具体应用,但不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示,图1是本发明用于边坡滑坡参数测量的报警系统结构示意图。通常来讲,大部分比较危险的边坡底部都是基岩,为了达到防止滑坡而出现的灾害,常见的是在边坡上设有抗滑桩,该抗滑桩底部伸入至基岩中,以增加其稳定性,本发明的实时监测技术就是在上述基础上进行光纤传感技术应用。
本发明用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统在结构组成上主要包括有光纤光栅传感网络、现场监控室、中央监控中心和远程客户端。其中,在抗滑桩3上浇筑有FBG应变传感器5和FBG温度传感器4,该FBG应变传感器5和FBG温度传感器4分别通过监测光缆6连接至现场监控室内的光纤光栅网络分析仪7上。在现场监控室内,共设有光纤光栅网络分析仪7、监控电脑8和报警器9,所述的光纤光栅网络分析仪7连接监控电脑8,所述的报警器9连接光纤光栅网络分析仪7。所述的中央监控中心10设置于办公室内,所述的中央监控中心10一端连接光纤光栅网络分析仪7,中央监控中心7的另一端通过因特网(Internet)连接至远程客户端11,由于办公室的中央监控中心10可以通过Internet将监测数据和滑坡预警信号发送给远程客户端11,便于上级管理人员可以及时了解现场情况并给出相应的指示。
上述光纤光栅网络分析仪7、监控电脑8、报警器9、中央监控中心10、远程客户端11之间是用电缆相连接的,除此以外所有部件都是采用光纤连接。
为了使得本发明用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统中监测精度达到要求,将所述FBG应变传感器5布设在抗滑桩3的主受力钢筋上,在所述抗滑桩3的主滑动方向上受拉和受压侧各选择一根纵向钢筋,在纵向钢筋上面垂直方向等距离安装有多个FBG应变传感器5,这些FBG应变传感器5通过一根光纤串联起来,并且从一端将光纤引出来,引出的光纤连接至光纤光栅分析仪7上。另外,用于测量滑坡周围温度的FBG温度传感器4同样布设于抗滑桩上,并且处于与FBG应变传感器5相邻的位置,布置时要让FBG温度传感器4与FBG应变传感器5相平行。
本发明利用光电技术和传感器技术来实现对边坡的土体滑动情况的判断,具体操作如下:在抗滑桩3上浇筑FBG应变传感器5,应变传感器5用于测量抗滑桩的最大拉应变,上述的FBG应变传感器5是布设在在抗滑桩3的主受力钢筋上,安装方法是在抗滑桩3的主滑动方向上受拉和受压侧各选一根纵向主筋,在上面沿垂直方向等距离(间隔为5m)安装适当的FBG应变传感器5,再通过一根光纤串联起来,上述的光纤从一端引出来,引出的光纤连接光纤光栅解调仪7。FBG温度传感器4用于测量滑坡周围的温度,其安装方式与FBG应变传感器5相同,安装位置在FBG应变传感器5的相邻位置,并且并与其相平行,用于FBG应变传感器5的温度补偿,具体温度补偿是在当传感器固定好后,再用混凝土对抗滑桩3进行浇筑,然后将浇筑好的抗滑桩3打入土体直到基岩2。设基岩2里的抗滑桩3是固定约束的,当边坡1沿滑动面下滑时,抗滑桩3受到边坡1推力而发生弯曲,则朝向边坡1滑动方向的抗滑桩3一侧承受最大的拉应变,顺向边坡1滑动方向一侧的抗滑桩3一侧承受最大的压应变,抗滑桩3上的FBG应变传感器5承受拉/压应变。
两种FBG传感器的光缆将抗滑桩3上的光纤光栅传感器信号传输到光纤光栅网络分析仪7,光纤光栅网络分析仪7解调出FBG传感器的中心波长位移量并自动计算出各个监测点的实时应变和温度曲线,对监测对象的测试数据进行分析,将分析结果与报警阀值进行对比,必要的时候发出报警信号,触发声光报警器,同时在监控电脑上给出图形报警信息。监控电脑用于为用户提供实时的应变曲线及滑坡预警的图形画面,同时还为用户提供设置报警参数及其它一些参数的界面。
现场监测站的工作原理是由光缆6将抗滑桩上的FBG传感器接到监测站的光纤光栅网络分析仪7,如图2所示,光纤光栅网络分析仪7内置有高功率宽带光源、光耦合器、可协调F-P腔、光探测器、数据采集系统及数据处理系统。高功率宽带光源发出光经光耦合器注入光纤光栅传感器,满足发射条件的光被反射后,再经光耦合器引入到可协调F-P腔中,滤波后再由光探测器转换成电信号,并传输给数据采集模块。该数据采集模块包括6大模块单元:频移量计算单元、小波去噪单元、模式识别单元、光纤光栅应变传感器温度补偿单元、弯曲挠度计算单元、及信息存储和比较单元。
上述数据处理模块先将各光纤光栅传感器的反射光的数据送给频移量计算单元,它将受温度、应变作用后的光纤光栅传感器的反射光的中心波长与标定的反射光中心波长作差,得到反射光中心波长的偏移量。然后,再把处理过的数据经由小波去噪单元去除无关信号。然后,再经由光纤光栅应变传感器温度补偿单元把温度在光纤光栅应变传感器上产生的反射光中心波长的偏移量去除,只留下应变的作用效应。然后,再经由弯曲挠度计算单元计算出抗滑桩的弯曲挠度,抗滑桩的弯曲挠度可以判断抗滑桩四周的土体情况。最后,再经由信息存储和比较单元,其可以根据用户需求设定报警阈值 ,当监测到的参数值超过报警阈值时,就会发出报警信号,触发声光报警器9,并在监测电脑8上显示图形报警信号。监控电脑8还可以为用户提供设置报警参数及其他一些参数的界面。光纤光栅网络分析仪7输出的各个监测点的实时应变和温度曲线通过监测电脑8显示。
本发明含有光纤光栅传感器的边坡滑坡监测报警系统主要用来监测边坡中抗滑桩四周土体的应力及温度等生理参数,实现监测数据的实时自动采集分析及远程发布,并能自动地根据所测得的数据决定是否发出预警信号。边坡的实时监测对人类的生命和财产的保护具有至关重要的作用。

Claims (5)

1.一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统,所述边坡的底部设有基岩,在边坡上设有抗滑桩,该抗滑桩底部伸入至基岩中,其特征在于,该光纤传感系统包括有光纤光栅传感网络、现场监控室、中央监控中心和远程客户端,所述的抗滑桩上浇筑有FBG应变传感器和FBG温度传感器,该FBG应变传感器和FBG温度传感器分别通过监测光缆连接至现场监控室内的光纤光栅网络分析仪上,在现场监控室内设有光纤光栅网络分析仪、监控电脑和报警器,所述的光纤光栅网络分析仪连接监控电脑,所述的报警器连接光纤光栅网络分析仪;所述的中央监控中心设置于办公室内,所述的中央监控中心一端连接光纤光栅网络分析仪,中央监控中心的另一端通过因特网连接至远程客户端。
2.根据权利要求1所述的一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统,其特征在于,所述FBG应变传感器布设在抗滑桩的主受力钢筋上,在所述抗滑桩的主滑动方向上受拉和受压侧各选择一根纵向钢筋,在纵向钢筋上面垂直方向等距离安装有多个FBG应变传感器,多个FBG应变传感器通过一根光纤串联,并且从一端引出的光纤连接至光纤光栅分析仪。
3.根据权利要求2所述的一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统,其特征在于,用于测量滑坡周围温度的FBG温度传感器布设于抗滑桩上FBG应变传感器相邻的位置,且FBG温度传感器与FBG应变传感器平行。
4.根据权利要求1所述的一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统,其特征在于,所述的光纤光栅网络分析仪包括有功率宽带光源、光耦合器、可协调F-P腔、光探测器、数据采集系统和数据处理系统,所述功率宽带光源连接光耦合器,光耦合器连接探测光缆,探测光缆连接抗滑桩上的光纤光栅传感器,光耦合器还连接至可协调F-P腔,可协调F-P腔依次连接光探测器、数据采集模块和数据处理模块。
5.根据权利要求1所述的一种用于边坡滑坡状况实时监测的光纤传感系统,其特征在于,所述的数据采集模块包括有频移量计算单元、小波去噪单元、模式识别单元、光纤光栅应变传感器温度补偿单元、弯曲挠度计算单元、信息存储和比较单元。
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