CN104655036A - 土工离心模型体内变形准分布式光纤感测系统 - Google Patents
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Abstract
土工离心模型体内变形准分布式感测系统，包括光纤光栅传感光缆、光源输入及光纤光栅解调仪、无线传输装置、土工离心模型、离心机、通讯光缆以及计算机终端，光纤光栅传感光缆按试验设计直接埋设于模型体内的相应位置，并与固定在离心机转臂内的通讯光缆连接；通讯光缆与固定在离心机上仪器仓中的光纤光栅解调仪连接；当离心机高速运转时，光纤光栅传感光缆与土工离心模型协调变形，使传感光缆上的光纤光栅传感点的中心波长受到调制；通过通讯光缆将光纤光栅传感光缆的光波长信号传输至解调仪，转换为光纤光栅传感光缆的轴向应变；无线传输装置输出信号；实现在离心模型试验过程中，对模型内部变形的实时、准分布式感测。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种基于光纤光栅传感技术的土工离心机的准分布式体内变形感测系统及感测方法，通过埋设于模型内部的光纤光栅传感光缆以及一系列传输与调制解调技术，用于对离心土工模型的体内变形进行感测，实现在模型试验过程中，迅速、全面地掌握土工模型内部的变形状态，属于岩土工程的技术领域。
二、背景技术
土工离心模型试验是利用离心机的离心力来模拟重力，使模型体的应力状态同原型相一致，以此研究相关工程性状的测试技术。目前，该技术手段已广泛应用于岩土工程的各个领域，已成为研究解决岩土工程关键技术问题的不可替代的试验手段。当前的土工离心模型试验中，对土工模型的外部形态的变化已有相当成熟的观测方法，但是，在离心模型试验过程中，观测土工模型内部变形的方法相对较少。因此，加强对模型内部变形监测方法的研究，对于完善离心模型试验技术，更好地了解原型的变形、破坏机制具有重要的意义。
光纤光栅是光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
光纤光栅传感技术是目前广泛应用于建筑、隧道、堤坝、边坡等构筑物的安全监测中的新兴技术，以其准确、稳定、实时、准分布式等独特的技术优势而受到越来越多的关注。基于该技术的变形传感光缆可依据工程需求进行定制，光缆纤细且具有一定的强度，可自由地进行布设，尺寸效应极小，对离心模型的性状基本无影响。利用光纤光栅的波分复用功能可以实现准分布式感测，尤其适用于大型岩土体内部的变形监测。本发明正是依据光纤光栅传感技术这一独特的性能，将其用于土工离心模型试验，光纤光栅传感光缆布设于土工模型内部，对模型内部的变形情况进行准分布式监测，为土工离心模型内部变形分布情况及其变化特征的研究提供可靠的试验依据。
三、发明内容
本发明的目的是：提出一种土工离心模型体内变形准分布式感测系统及方法，通过在土工离心模型中埋设光纤光栅传感光缆，实现在离心模型试验过程中实时采集模型内部的变形分布及其变化规律，为模拟研究大型岩土体的内部变形特征，探究岩土体的变形过程与机制，以及岩土工程理论与应用研究及实际工程提供科学数据。
本发明的目的是这样实现的：土工离心模型体内变形准分布式感测系统，由光纤光栅传感光缆、光源输入及光纤光栅解调仪、无线传输装置、土工离心模型、离心机、通讯光缆以及计算机终端组成，光纤光栅传感光缆在离心模型的填筑过程中，按试验设计直接埋设于模型体内的相应位置，并与固定在离心机转臂内的通讯光缆连接；通讯光缆与固定在离心机上仪器仓中的光纤光栅解调仪连接。当离心机高速运转时，光纤光栅传感光缆与土工离心模型协调变形，使传感光缆上的光纤光栅传感点的中心波长受到调制；通过通讯光缆将光纤光栅传感光缆的光波长信号传输至解调仪，经过相应的解调技术转换为光纤光栅传感光缆的轴向应变；通过与光纤光栅解调仪相连的无线传输装置输出信号；尤其是可以将解调的波长数据转换为Wi-Fi信号，无线传输至计算机终端，计算得到相应位置的变形，实现在离心模型试验过程中，对模型内部变形的实时、准分布式感测。
本发明根据各个光纤光栅波长的变化计算得到离心模型内部相应空间位置的变形情况，实现对模型体内变形的分布感测，以及对试验过程进行同步显示和记录。
土工离心模型的体内变形采用了高精度的、经过封装的光纤光栅传感光缆进行感测；在同一根光纤光栅传感光缆上可以刻写了一定数量、不同中心波长的光纤光栅传感点(FBG)，如图2所示，形成光纤光栅串，也可以通过将多个光纤光栅相互熔接，形成光栅串，利用光纤光栅具有波分复用的特点，实现对同一根光缆上的多个传感器进行同步测量。
进一步，在光纤光栅传感光缆是裸纤上刻写光栅，通过重新涂覆、增加紧包护套层，封装为光纤光栅传感光缆，使之满足离心模型体内变形感测对传感器灵敏度和机械强度的要求。
进一步，光纤光栅解调仪和无线传输装置位于离心机内上仪器仓，应置于转轴中心位置或尽可能靠近离心机的转轴中心固定，光纤光栅解调仪与无线传输装置通过数据线连接，可以同步地将采集的波长数据无线发送至计算机终端，便于实时地对试验过程进行记录和显示。
通讯光缆为铠装多芯单模通讯光缆，两端分别熔接跳线，一端通过法兰与光纤光栅传感光缆连接，另一端与光纤光栅解调仪连接。通讯光缆与离心机转轴、转臂应有效固定。
进一步，传感光缆与跳线熔接后与通讯光缆通过法兰连接，土工离心模型外部的传感光缆及跳线与离心机吊篮、模型箱有效固定，或者通过连接在模型箱上的安装杆固定。
进一步，解调仪若具有多个通道，每个通道均可通过通讯光缆连接一根光纤光栅传感光缆。
根据上述装置的土工离心模型体内变形准分布式感测方法，当离心机高速运转时，光纤光栅传感光缆与土工离心模型协调变形，使传感光缆上的光纤光栅传感点的中心波长受到调制；将光纤光栅的光波长信号通过通讯光缆传输至解调仪，经过相应的解调技术转换为光纤光栅传感光缆的轴向应变；通过与光纤光栅解调仪相连的无线传输装置输出信号；无线传输至计算机终端，计算得到相应位置的变形，实现在离心模型试验过程中，对模型内部变形的实时、准分布式感测；
可实时地获取土工离心模型试验过程中模型内部多个点的变形，实现对模型体内变形的准分布式感测；光纤光栅传感点之间的距离可以根据离心模型试验的要求进行定制，光纤光栅传感光缆在离心模型填筑的过程中埋设，根据试验设计，将光纤光栅传感点安装在指定的位置上或在土工模型构筑完成后，利用微型钻孔埋设传感光缆，通过耦合剂对钻孔空洞进行回填，使传感光缆与离心模型协调变形；光纤光栅传感光缆在离心模型填筑的过程中埋设或微型钻孔埋设方式可根据试验要求自由组合。
进一步，通过通讯光缆向传感光缆内注入宽带光信号，该信号在各个光纤光栅传感点处发生反射，反射的光信号经通讯光缆反向传递至解调仪，经解调，得到各个光栅传感点的中心波长。通过无线传输装置，将波长数据实时、无线传输至监控室内的计算机终端上，通过终端软件实现对光纤光栅解调仪的控制和数据的显示、记录，并根据光栅的波长数据计算得到模型的变形分布及其变化情况。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明将先进的准分布式光纤光栅传感技术用于离心模型试验，能够高精度、实时地获取土工离心模型内部的变形分布情况及变化特征，为大型岩土体的理论和应用研究提供全面可靠的试验数据。
2)本发明采用的光纤光栅传感光缆紧套光纤光栅串传感光缆。如在裸纤上刻写光栅，通过重新涂覆、增加紧包护套层，封装而成，具有一定的机械强度，满足土工离心模型的试验要求。每根传感光缆上均具有多个、不同中心波长的传感点，可以同步获取一定空间范围内岩土体的变形分布情况，实现准分布式监测。
3)试验进行过程中的变形信息等数据，依靠解调仪配备的无线传输装置，实时地传递到监控室内的计算机终端上，方便用户实时地观察和记录试验过程中模型的变形情况。
本发明实现在离心模型试验过程中，对模型内部变形的实时、准分布式感测。本发明以此探索土工离心模型体内的变形及其分布情况，为大型岩土体的理论和应用研究提供更全面的试验依据，并为光纤光栅准分布式传感技术在离心模型试验中的应用提供参考。
四、附图说明
如图1为本发明土工离心模型体内变形分布式感测系统示意图。
图1中包括离心机室1、上仪器仓2、监控室3、转臂4、吊斗5、土工离心模型6、光纤光栅传感光缆7、传输光缆8、光纤光栅解调仪9、无线传输装置10、电脑终端11。
图2为光纤光栅传感光缆示意图。图中包括纤芯12、包层13、涂覆14、紧包护套15、光纤光栅传感点16，各个传感点的中心波长不同，传感点之间的距离根据离心模型试验的设计确定。
五、具体实施方式
本感测系统主要由光纤光栅传感光缆、光纤光栅解调仪、无线传输装置以及计算机终端组成。在土工离心模型内，根据试验需求按特定方式埋设多根光纤光栅传感光缆。每根传感光缆具有一定数量的中心波长不同的光纤光栅传感点。传感光缆熔接跳线后，与固定在离心机转臂内的通讯光缆通过法兰连接，通讯光缆的另一端连接至置于离心机上仪器仓内的光纤光栅解调仪。解调仪与无线传输装置连接。
图1-2所示，埋设多根光纤光栅传感光缆尤其是用聚合物材料进行封装。
土工离心模型是按一定的比例将原型缩小，比如一个边坡的实际高度是100m，设计的离心边坡模型的高度是1m，那么离心模型和原型的比例就是1:100。为了在模型试验过程中真实的反映边坡的应力状态，需要以一定的速度使模型发生旋转，产生离心加速度，当离心加速度是重力加速度的100倍时，由模型试验得到的应力场就和原型的应力场是基本相同的，这是离心模型试验的基本原理。所以，在制作离心模型时，模型的尺寸是严格按比例缩小的。各种传感器是根据测量的目的安装在相应的位置上。传感器通常是在模型的填筑过程中安装，比如用于测量模型内部压力或者结构与土体之间的接触压力的传感器；也有在模型完全填筑完成后安装，这类传感器主要是用于模型外部变形的测量。
本发明所说的传感光缆是在模型的填筑过程中埋设在模型的不同位置上，主要可以分为两类：一类是水平方向埋设，比如模型已经填筑了20cm，如果需要对该高度水平方向的变形进行测量，可以在继续填筑土体之前将传感光缆水平放置在土体表面，然后填筑下一层土体；一类是沿竖向埋设，在实施例中，是采用一根铅直的铁丝，竖立在设计的位置上，传感光缆下端采用填筑土体固定，然后沿铁丝向上布设，同时填筑土体，填筑一定高度后，向上提拔铁丝，但提拔的高度不应超过填筑的高度，传感光缆与铁丝平行，继续填筑土体，然后再继续上提铁丝，依次进行，直至模型填筑完毕。采用这种方法，可以保证光缆在模型内部是沿竖向布设的。
土工离心模型的材料主要是土体。对于隧道、桩等结构的模拟，可以采用混凝土材料。模型的尺寸一般不大于1×1×1m。针对本实施例，离心模型的材料是土体。
启动离心装置，转臂带动吊斗作高速旋转运动，使模型箱内的土工模型置于高重力场(离心力产生的)下，模拟大型岩土体在自重应力以及不同工况作用下的变形。试验进行过程中，模型内部的土体变形带动埋设于其中的传感光缆变形，使光纤光栅传感点反射的中心波长发生相应变化。
解调仪通过通讯光缆向传感光缆内注入宽带光信号，该信号在各个光纤光栅传感点处发生反射，反射的光信号经通讯光缆反向传递至解调仪，经解调，得到各个光栅传感点的中心波长。通过无线传输装置，将波长数据实时、无线传输至监控室内的计算机终端上，通过终端软件实现对光纤光栅解调仪的控制和数据的显示、记录，并根据光栅的波长数据计算得到模型的变形分布及其变化情况。
Claims (10)
1.土工离心模型体内变形准分布式感测系统，其特征是包括光纤光栅传感光缆、光源输入及光纤光栅解调仪、无线传输装置、土工离心模型、离心机、通讯光缆以及计算机终端，光纤光栅传感光缆在离心模型的填筑过程中，按试验设计直接埋设于模型体内的相应位置，并与固定在离心机转臂内的通讯光缆连接；通讯光缆与固定在离心机上仪器仓中的光纤光栅解调仪连接；当离心机高速运转时，光纤光栅传感光缆与土工离心模型协调变形，使传感光缆上的光纤光栅传感点的中心波长受到调制；通过通讯光缆将光纤光栅传感光缆的光波长信号传输至解调仪，经过相应的解调技术转换为光纤光栅传感光缆的轴向应变；通过与光纤光栅解调仪相连的无线传输装置输出信号；无线传输至计算机终端，计算得到相应位置的变形，实现在离心模型试验过程中，对模型内部变形的实时、准分布式感测。
2.根据权利要求1所述的土工离心模型体内变形准分布式感测系统，其特征是无线传输是将解调的波长数据转换为Wi-Fi信号传输。
3.根据权利要求1所述的土工离心模型体内变形准分布式感测系统，其特征在于，模型的体内变形采用了高精度的、经过封装的光纤光栅传感光缆进行感测；在同一根光纤光栅传感光缆上可以刻写了一定数量、具有不同中心波长的光纤光栅传感点(FBG)，形成光纤光栅串，也可以通过将多个光纤光栅相互熔接，形成光栅串，利用光纤光栅具有波分复用的特点，实现对同一根光缆上的多个传感点进行同步测量。
4.根据权利要求1所述的土工离心模型体内变形准分布式感测系统，其特征在于光纤光栅传感光缆是紧套光纤光栅串传感光缆。
5.根据权利要求1所述的土工离心模型体内变形准分布式感测系统，其特征在于土工离心模型体内变形准分布式感测系统中，光纤光栅解调仪和无线传输装置位于离心机内上仪器仓，应置于转轴中心位置或尽可能靠近离心机的转轴中心固定，光纤光栅解调仪与无线传输装置通过数据线连接，能同步地将采集的光纤光栅波长数据无线发送至计算机终端，便于实时地对试验过程进行记录和显示。
6.根据权利要求1或5所述的土工离心模型体内变形准分布式感测系统，其特征在于，通讯光缆为铠装多芯单模通讯光缆，两端分别熔接跳线，一端通过法兰与光纤光栅传感光缆连接，另一端与光纤光栅解调仪连接。通讯光缆与离心机转轴、转臂应有效固定。
7.根据权利要求1-5之一所述的土工离心模型体内变形准分布式感测系统，其特征在于，传感光缆与跳线熔接后与通讯光缆通过法兰连接，土工离心模型外部的传感光缆及跳线与离心机吊篮、模型箱有效固定，或者通过连接在模型箱上的安装杆固定。
8.根据权利要求1-5之一所述的土工离心模型体内变形准分布式感测系统，其特征在于如光纤光栅解调仪，若具有多个通道，每个通道均可通过通讯光缆连接一根光纤光栅传感光缆。
9.根据权利要求1-5之一所述的土工离心模型体内变形准分布式感测系统进行内变形准分布式感测方法，其特征在于，当离心机高速运转时，光纤光栅传感光缆与土工离心模型协调变形，使传感光缆上的光纤光栅传感点的中心波长受到调制；将光纤光栅的光波长信号通过通讯光缆传输至解调仪，经过相应的解调技术转换为光纤光栅传感光缆的轴向应变；通过与光纤光栅解调仪相连的无线传输装置输出信号；无线传输至计算机终端，计算得到相应位置的变形，实现在离心模型试验过程中，对模型内部变形的实时、准分布式感测；实时地获取土工离心模型试验过程中模型内部多个点的变形，实现对模型体内变形的准分布式感测；光纤光栅传感点之间的距离可以根据离心模型试验的要求进行定制，光纤光栅传感光缆在离心模型填筑的过程中埋设，根据试验设计，将光纤光栅传感点安装在指定的位置上或在土工模型构筑完成后，利用微型钻孔埋设传感光缆，通过耦合剂对钻孔空洞进行回填，使传感光缆与离心模型协调变形；光纤光栅传感光缆在离心模型填筑的过程中埋设或微型钻孔埋设方式可根据试验要求自由组合。
10.根据权利要求9所述的土工离心模型体内变形准分布式感测方法，其特征在于，通过通讯光缆向传感光缆内注入宽带光信号，该信号在各个光纤光栅传感点处发生反射，反射的光信号经通讯光缆反向传递至解调仪，经解调，得到各个光栅传感点的中心波长。通过无线传输装置，将波长数据实时、无线传输至监控室内的计算机终端上，通过终端软件实现对光纤光栅解调仪的控制和数据的显示、记录，并根据光栅的波长数据计算得到模型的变形分布及其变化情况。
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