CN104569351A - 一种用于相似模拟的光纤传感器铺设装置及铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于相似模拟实验的光纤传感器装置及铺设方法。相似物理模型试验台内腔填充有相似材料，在相似材料内钻有垂直钻孔，其垂直钻孔内插入铺设管，铺设管上开有光纤固定槽，所述光纤固定槽两端部连接有应力计，应力计分别与应力表和光纤固定器连接，光纤固定器通过紧固螺丝与光纤孔、橡胶槽和传感光纤连接为整体，铺设管上端面连接一个水平仪。光纤铺设方法：由模型上部垂直开孔至底；沿孔垂直铺设套管；通过水平仪确定光纤垂直铺设；确定铺设套管与光纤之间有一定耦合和摩擦力；光纤上下端部分别由端部夹紧装置固定并施加预应力。结构简单，安装方便，广泛运用于采矿工程相似材料实验或其它构筑物内部的传感光纤的垂直铺设领域。

Description

一种用于相似模拟的光纤传感器铺设装置及铺设方法

技术领域

本发明涉及采矿工程相似材料物理模型实验领域，具体涉及监测模型应力应变的一种用于相似模拟的光纤传感器铺设装置及铺设方法。

背景技术

分布式光纤传感器是目前国内外研究热点，测试用光纤的跨距可达几十千米，分辨率高，误差小。要获得一个具有一定跨度范围的整个温度信息、应力信息、应变信息，使用传统的单点移动式或由多个单点组成的准分布式传感方式既耗时耗资又在布线上很困难，其性能价格比是很低的。而这时使用完全分布式传感显然是最有效的方法。这就要求介质既要有高的灵敏度，又能有效地传输所感应的信号。光导纤维就具有这种双重特性，且它还有着抗电磁干扰、防燃、防爆、尺寸极小、对被测温度场的影响小等其它介质无法比拟的优点。

介于分布式光纤传感器的这种优越性，可以将其应用到监控煤矿开采及巷道开挖对围岩的影响以及上覆岩层的变形，为了验证其可行性，需要采用相似物理模拟的研究方法进行验证。

实践证明，分布式光纤传感器可以用于监测矿山开采对围岩的扰动情况。但是，对于光纤上的光带反向散射波长的频移变化同岩层的位移变化之间的对应关系还有待确定。由于光纤的埋设工艺将直接影响到这个关系的确定过程，因此如何解决传感光纤在模型埋设工艺上的问题，成为制约光纤传感技术在矿山相似物理模型试验变形监测应用中的首要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，安装方便，有效的解决在模型试验中因光纤铺设不当造成损坏及误差，从而大大提高传感光纤成活率高，使测量的实验数据更加准确的一种用于相似模拟的光纤传感器铺设装置。

本发明的另一目的是提供铺设方法。

为了克服现有光纤铺设方法的不足，本发明的技术方案是这样解决的：一种用于相似模拟的光纤传感器装置，该装置由传感光纤、光纤固定器、应力计、铺设管、光纤固定槽、水平仪、应力表和相似物理模型试验台组成；本发明的特殊之处在于所述相似物理模型试验台内腔填充有相似材料，在相似材料内钻有垂直钻孔，其垂直钻孔内插入铺设管，所述铺设管上开有光纤固定槽，所述光纤固定槽两端部连接有应力计，所述应力计分别与应力表和光纤固定器连接，所述光纤固定器通过紧固螺丝与光纤孔、橡胶槽和传感光纤连接为整体，所述铺设管上端面连接一个水平仪。

一种所述相似模拟光纤传感器装置的铺设方法，按下述步骤进行：

（1）由相似模型上部垂直开孔至底，孔的尺寸要与套管尺寸相近，通常要大于套管直径；

（2）沿孔垂直铺设已放入光纤的套管；

（3）通过端部光纤固定器固定套管内的下端光纤；

（4）通过水平仪确定光纤垂直铺设；

（5）所述套管在铺设过程中必须保持直线且不可弯曲；

（6）所述套管应在铺设前将光纤直嵌入其内部，并确定铺设套管与光纤之间有一定的耦合；

（7）再将所述安置光纤的套管垂直放入已经在模型上钻好的孔内直至底部；

（8）将所述装置入孔中的铺设管内光纤穿过上端部的应力计和端部光纤固定器，对光纤施加预应力并通过应力计读数；

（9）在所述铺设管内充填相似材料，逐步提升套管，使相似材料下落到钻孔底部；

（10）将所述垂直套管抽出；最后夯实模型，完成传感光纤的垂直铺设。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

结构简单，安装方便，有效的解决在模型试验中因光纤铺设不当造成损坏及误差，从而大大提高传感光纤成活率高，使测量的实验数据更加准确的特点：

1、本发明拥有确保传感光纤在平面相似物理模拟模型内呈直线态铺设的特点；从而最大限度的减小铺设工艺对测量所造成影响。

2、可以提前在光纤上施加预紧力并且可以保持光纤上的预紧力。

3、同时运用这种装置可以更真实的模拟实际工程中打钻孔埋设光纤过程，从而最大限度让实验整体情况更接近于实际工程的情况。

4、保证传感光纤垂直铺设在相似模拟模型内部的特点，从而最大的减小铺设工艺对测量的影响。

5、广泛运用于采矿工程相似材料物理模型实验或其它构筑物内部的传感光纤的垂直铺设领域。

附图说明

图1为本发明主视结构示意图；

图2为铺设管的主视结构示意图；

图3为图2的俯视结构示意图；

图4为应力计的结构示意图；

图5为端部光纤固定器的结构示意图；

图6为图1的具体实施方法示意图。

1-传感光纤；2-端部光纤固定器；3-应力计；4-铺设管；5-光纤固定槽；6-水平仪；7-光纤孔；8-应力表；9-橡胶槽；10-紧固螺丝；11-平面相似物理模型试验台；12-相似材料。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图对发明内容作进一步说明：

实施例 1

一种用于相似模拟的光纤传感器装置，该装置由传感光纤、光纤固定器、应力计、铺设管、光纤固定槽、水平仪、应力表和相似物理模型试验台组成；所述相似物理模型试验台11内腔填充有相似材料12，在相似材料12内钻有垂直钻孔，其垂直钻孔内插入铺设管4，所述铺设管4上开有光纤固定槽5，所述光纤固定槽5两端部连接有应力计3，所述应力计3分别与应力表8和光纤固定器2连接，所述光纤固定器2通过紧固螺丝10与光纤孔7、橡胶槽9和传感光纤1连接为整体，所述铺设管4上端面连接一个水平仪6。

一种所述相似模拟光纤传感器装置的铺设方法，按下述步骤进行：

（1）由相似模型上部垂直开孔至底，孔的尺寸要与套管尺寸相近，通常要大于套管直径；

（2）沿孔垂直铺设已放入光纤的套管；

（3）通过光纤固定器固定套管内的下端光纤；

（4）通过水平仪确定光纤垂直铺设；

（5）所述套管在铺设过程中必须保持直线且不可弯曲；

（6）所述套管应在铺设前将光纤直嵌入其内部，并确定铺设套管与光纤之间有一定的耦合；

（7）再将所述安置光纤的套管垂直放入已经在模型上钻好的孔内直至底部；

（8）将所述装置入孔中的铺设管内光纤穿过上端部的应力计和端部光纤固定器，对光纤施加预应力并通过应力计读数；

（9）在所述铺设管内充填相似材料，逐步提升套管，使相似材料下落到钻孔底部；

（10）将所述垂直套管抽出；最后夯实模型，完成传感光纤的垂直铺设。

实施例 2

相似模型铺装完成后，在模型表面打一钻孔，钻孔直径与光纤铺设管的直径相当。将测量用的传感光纤放入光纤铺设管的固定槽内加以固定，保证光纤呈直线状态。将光纤铺设管沿钻孔下放至底，光纤的尾部从模型底部穿出后用光纤固定器加以固定。光纤上端分别穿过应力仪和光纤固定器的光纤孔，对光纤施加预应力后，通过光纤固定器的橡胶槽和紧固螺丝将光纤夹紧，由应力仪读取预应力大小。为保证光纤垂直铺设，可通过光纤铺设装置上端的水平仪进行校准。确认光纤垂直铺设完成后，向铺设管内填充相似材料，并逐渐提升和拆除多余的铺设管，使相似材料下落至孔底，并依次夯实，直至铺设管完全提升至模型外部，钻孔被相似材料重新填充，光纤铺设完成。

综上所述，所述光纤铺设管在铺设管表面上有一光纤固定槽。所述光纤固定槽用于固定光纤传感器，且使光纤保持直线态。所述端部光纤固定器一则是用于固定光纤，二则是为了保持在光纤上施加的预应力。所述水平仪是为了保证光纤铺设套管垂直进入钻孔。

Claims (2)

1.一种用于相似模拟的光纤传感器装置，该装置由传感光纤、光纤固定器、应力计、铺设管、光纤固定槽、水平仪、应力表和相似物理模型试验台组成；其特征在于所述相似物理模型试验台（11）内腔填充有相似材料（12），在相似材料（12）内钻有垂直钻孔，其垂直钻孔内插入铺设管（4），所述铺设管（4）上开有光纤固定槽（5），所述光纤固定槽（5）两端部连接有应力计（3），所述应力计（3）分别与应力表（8）和光纤固定器（2）连接，所述光纤固定器（2）通过紧固螺丝（10）与光纤孔（7）、橡胶槽（9）和传感光纤（1）连接为整体，所述铺设管（4）上端面连接一个水平仪（6）。

2.一种如权利要求1所述相似模拟光纤传感器装置的铺设方法，按下述步骤进行：

（1）由相似模型上部垂直开孔至底，孔的尺寸要与套管尺寸相近，通常大于套管直径；

（2）沿孔垂直铺设已放入光纤的套管；

（3）通过端部光纤固定器固定套管内的下端光纤；

（4）通过水平仪确定光纤垂直铺设；

（5）所述套管在铺设过程中必须保持直线且不可弯曲；

（6）所述套管应在铺设前将光纤直嵌入其内部，并确定铺设套管与光纤之间有一定的耦合；

（7）再将所述安置光纤的套管垂直放入已经在模型上钻好的孔内直至底部；

（8）将所述装置入孔中的铺设管内光纤穿过上端部的应力计和光纤固定器，对光纤施加预应力并通过应力计读数；

（9）在所述铺设管内充填相似材料，逐步提升套管，使相似材料下落到钻孔底部；

（10）将所述垂直套管抽出；最后夯实模型，完成传感光纤的垂直铺设。