CN105806262B - 一种基于低相干干涉技术的测斜系统及方法 - Google Patents

一种基于低相干干涉技术的测斜系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于低相干干涉技术的测斜系统，包括LCI倾斜计，LCI倾斜计包括密封套筒，悬臂梁设于密封套筒内且一端固定，悬臂梁的自由端设有中心锤，悬臂梁的两端分别设有LCI光纤传感器；LCI光纤传感器连接信号臂，信号臂与宽带光源连接，信号臂上设有第一耦合器；参考臂与信号接收处理系统连接，参考臂上设有第二耦合器；第一耦合器与第二耦合器之间通过光纤光缆连接；第二耦合器还连接末端切平的用以反射光信号的光纤；参考臂与光学移动扫描平台上的反光镜相配合。本发明提供了一种基于低相干干涉技术的测斜方法。本发明基于低相干干涉仪的传感器技术测量工程结构倾斜的角度，具有抗电磁干扰、测量精度高的特点。

Description

一种基于低相干干涉技术的测斜系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于低相干干涉技术的倾斜位移测量系统，主要用于岩土工程如地基、挡土墙、边坡等不同类型开挖结构的测斜监测，属于光纤传感技术领域。
背景技术
倾斜传感器是一种可以测量多种工程结构倾角或者横向位移的传感系统，一般布设于垂直的孔中，或者依托一些岩土工程结构本身的结构(如桩、墙体或土钉等)测量不同位置的倾斜角度或位移。目前的基于不同类型光纤传感器技术测量倾斜的传感器类型较多，但一般以布拉格光纤光栅(Fiber Bragg grating，FBG)传感器为主，这也主要由于布拉格光纤光栅传感器具有体积小、分辨率高、抗干扰、实时性强等优点。
专利号CN103148894A公开了一种基于布拉格光纤光栅的角度应力传感器，该类型传感器以布拉格光纤光栅阵列为基础，将其保护在特殊套管内部，同时利用一个支撑体和传感头探测应力与角度的变化。专利号CN104677337A公开了一种基于布拉格光纤光栅传感器技术的高精度倾斜角度传感装置，测量分辨率可以达到2.5×10-5°。同时已经发表的研究成果中有不同形式的利用光纤传感器测斜的装置，如Meng and Ansari(MENG，D.&ANSARI，F.2013.Damped fiber optic low-frequency tiltmeter for real-time monitoring ofstructural displacements.Measurement Science and Technology，24，125106)发明的基于布拉格光纤光栅传感器测斜，将光纤光栅传感器布设于悬臂梁的截面两侧，测量梁倾斜情况下的倾角。将此梁放置于装满溶液的容器中，当整个容器倾斜时梁的倾斜产生受弯应变并可由布拉格光纤传感器感知，通过该应变的大小计算倾角(或位移)的大小。该类型光纤光栅传感器具有低频实时的特点。Bao等(Bao et al.，2010，Temperature-insensitive 2-D tilt sensor by incorporating fiber Bragg gratings with ahybrid pendulum.Optics Communications，283，5021-5024)同样利用布拉格光纤光栅传感器研发出可实现温度补偿的倾角测量装置，其开发的倾斜传感器具有可大范围测量、且对温度不敏感的特点。而Au等(Au et al.，2011，Temperature-insensitive fiber Bragggrating based tilt sensor with large dynamic range.Journal of LightwaveTechnology，29，1714-1720)提出的倾斜传感器其机理在于利用一个球摆发生倾斜，导致一个空心柱体的受弯应变的变化进而计算相应的倾角大小，该倾斜传感器不必温度补偿。现在也有一些较强功能的倾斜传感器，如(Au et al.，2011)提出的可测量动态倾角的测斜传感器，测量的最大角度可达35°，分辨率达到0.013°。
目前，关于利用低相干干涉型传感技术测量倾角的设计还未见公开报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种以迈克尔逊低相干型光纤传感技术为基础的测量工程结构倾斜的系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于低相干干涉技术的测斜系统，其特征在于：包括LCI倾斜计，LCI倾斜计包括密封套筒，悬臂梁设于密封套筒内且一端固定，悬臂梁的自由端设有中心锤，悬臂梁的两端分别设有LCI光纤传感器；
LCI光纤传感器连接信号臂，信号臂与宽带光源连接，信号臂上设有第一耦合器；参考臂与信号接收处理系统连接，参考臂上设有第二耦合器；第一耦合器与第二耦合器之间通过光纤光缆连接；第二耦合器还连接末端切平的用以反射光信号的光纤；参考臂与光学移动扫描平台上的反光镜相配合。
优选地，所述密封套筒的两侧连接不锈钢接头，一侧的不锈钢接头连接吊钩。
优选地，所述悬臂梁为聚碳酸酯材料制成的传感部件。
优选地，所述信号臂为一段长度可以调整的光纤，光纤的两端反射率不同。
优选地，光信号首先从宽带光源发出，经过第一耦合器后进入信号臂，信号臂与LCI倾斜计中的带有不同反射率的LCI光纤传感器相连接，安装在悬臂梁上的LCI光纤传感器因悬臂梁发生弯曲而产生拉压变形；光纤的拉压变形导致光程的变化，当由信号臂和参考臂反射回的光的光程差低于最小相干光程时，则光的干涉就会发生；根据光的干涉导致的光程差结果计算悬臂梁在竖直方向产生的倾斜角度。
本发明还提供了一种基于低相干干涉技术的测斜方法，利用上述基于低相干干涉技术的测斜系统，其特征在于，步骤为：
步骤1：将整个LCI倾斜计垂直地放入测斜管中需要测量倾斜的位置；
步骤2：当LCI倾斜计到达要测量挠度或转角的位置时，固定好LCI倾斜计；
步骤3：对LCI倾斜计内部两端的LCI光纤传感器进行逐个扫描；每次均利用宽带光源对信号臂和参考臂同时进行扫描，并记录扫描后得到信号臂和参考臂的干涉导致的光程差结果；
5)利用所得到的光程差结果计算悬臂梁在竖直方向产生的倾斜角度。
优选地，所述步骤1中，用软绳固定在LCI倾斜计上方的吊钩上，然后将整个LCI倾斜计垂直地放入测斜管中需要测量倾斜的位置。
优选地，所述步骤5中，利用所得到的光程差结果计算悬臂梁在竖直方向产生的倾斜角度的方法为：
信号臂上相邻两段LCI光纤传感器的光程差Δx由LCI光纤传感器应变变形后的光纤光程变化ΔL(ε)，以及相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)产生，如以下公式所示：
Δx＝nΔL(ε)+LΔn(ε) (1)
式中，ε代表应变变形，L为光纤长度，n为纤芯指数，由应变变形导致的光纤光程变化ΔL(ε)和相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)分别由以下的公式表示：
ΔL(ε)＝Lε (2)
其中，μ为泊松比，p11和p12为光纤的Pockel常数。将公式(1)、(2)和(3)合并后可以得到以下计算光程差的公式：
对于标准的单模光纤，各个参数分别为p11＝0.12，p12＝0.27，μ＝0.25，n＝1.46，因此可以得到光程差和应变的关系如下所示：
Δx＝1.19Lε (5)
假设悬臂梁的厚度为D，转角为θ，悬臂梁的两侧表面的应变分别为εai与εbi，由εai与εbi导致的光程差分别为Δxa与Δxb。当悬臂梁发生受弯后，假定变形很小的情况下，可近似的认为
εai与εbi分别可以由公式(5)求得，即可以进一步的将公式(6)简化为：
即可以利用光程差Δxa与Δxb计算悬臂梁相应的转角θ。
本发明基于低相干干涉仪的传感器技术测量工程结构倾斜的角度。将低相干干涉信号臂上的传感部分封装到一个悬臂梁的表面，以反映该悬臂梁的受拉受压变形并进而计算整个悬臂梁的倾斜，将该悬臂梁封装在一个密封的测斜装置内部。结构的拉压变形导致信号臂上的传感器的变形发生变化，进而导致在该光纤传感器内部的光程发生变化，通过扫描光程的变化量即可以得到结构倾斜的结果。
本发明用一个悬臂梁封装于的密封筒内部进行测斜，当整个密封筒发生受弯时，梁体受弯，导致布设在悬臂梁上的LCI传感部分发生变形，用该变形计算产生的倾斜角度，整个监测系统具有抗电磁干扰、测量精度高的特点。
附图说明
图1为本实施例提供的基于低相干干涉技术的测斜系统结构示意图；
图2为LCI倾斜计结构示意图；
图3为悬臂梁结构示意图；
图4为本实施例提供的基于低相干干涉技术的测斜系统操作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1为本实施例提供的基于低相干干涉技术的测斜系统结构示意图，具体包括：宽带光源1；信号接收处理系统2；光路3；信号臂5；位于信号臂上的光路耦合器4；LCI倾斜计6；末端切平的用以反射光信号的光纤7；光学移动扫描平台8；反光镜9；参考臂10。
结合图2，LCI倾斜计6包括带有内置溶液的长250mm、直径40mm的密封套筒17，悬臂梁13位于密封套筒17内，悬臂梁13的固定端18通过金属垫片15及四个固定螺丝14固定在密封套筒17的末端20，悬臂梁13的自由端设有中心锤12，悬臂梁13的两端分别设有LCI光纤传感器19。密封套筒17的两侧连接不锈钢接头16，一侧的不锈钢接头16连接吊钩21，不锈钢接头16上设有定位滑轮11。
结合图3，悬臂梁13，长度为150mm、厚度为2mm、宽度为5mm，为聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)材料制成的传感部件，表面安装有LCI光纤传感器19，末端安装有一个中心锤12，用以感知倾斜角度的大小。悬臂梁13的固定端设有四个用于安装固定螺丝14的孔位22。
信号臂5，为一段长度可以调整的光纤，光纤的两端反射率不同，光纤的拉压变形导致光程的变化，进而反映倾斜角度的大小变化。
LCI光纤传感器19与信号臂5连接，信号臂5通过光纤光缆与宽带光源1连接，信号臂5上设有第一耦合器41；参考臂10通过光纤光缆与信号接收处理系统2连接，参考臂10上设有第二耦合器42，第一耦合器41与第二耦合器42之间通过光纤光缆连接；第二耦合器42还连接末端切平的用以反射光信号的光纤7；参考臂10与光学移动扫描平台8上的反光镜9相配合。
光信号首先从宽带光源1发出，经过第一耦合器41后进入信号臂5，信号臂5为高强度铠装光缆(可承受较强的拉力)并与LCI倾斜计6中的一系列带有不同反射率的LCI光纤传感器19相连接，安装在悬臂梁13上的LCI光纤传感器19因悬臂梁13发生弯曲而产生拉压变形，得到的应变可以计算整个悬臂梁13在竖直方向产生的倾斜角度。当由信号臂5和参考臂10反射回的光的光程差低于最小相干光程Lc时，则光的干涉就会发生。信号臂上相邻两段LCI光纤传感器的光程差Δx主要由LCI光纤传感器应变变形后的光纤光程变化ΔL(ε)，以及相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)产生，如以下公式所示：
Δx＝nΔL(ε)+LΔn(ε) (1)
式中，ε代表应变变形，L为光纤长度，n为纤芯指数，由应变变形导致的光纤光程变化ΔL(ε)和相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)分别可以由以下的公式表示：
ΔL(ε)＝Lε (2)
其中，μ为泊松比，p11和p12为光纤的Pockel常数。将公式(1)、(2)和(3)合并后可以得到以下计算光程差的公式：
对于标准的单模光纤，各个参数分别为p11＝0.12，p12＝0.27，μ＝0.25，n＝1.46，因此可以得到光程差和应变的关系如下所示：
Δx＝1.19Lε (5)
假设悬臂梁的厚度为D，转角为θ，悬臂梁的两侧表面的应变分别为εai与εbi，由εai与εbi导致的光程差分别为Δxa与Δxb。当悬臂梁发生受弯后，假定变形很小的情况下，可近似的认为
εai与εbi分别可以由公式(5)求得，即可以进一步的将公式(6)简化为：
考虑给定的边界条件，对于本实施例中的悬臂梁其顶部未固定端，故可以利用光程差Δxa与Δxb计算相应的转角以及挠度值(或者横向位移)。
本实施例提供的基于低相干干涉技术的测斜系统的安装方法如下：
(1)将两个LCI光纤传感器19的信号臂预拉约3000με后分别封装在悬臂梁13的前后两个表面，两个信号臂上受拉的LCI传感器分别连接有一条放松的长度接近的LCI传感部分(用来制造产生的光程差)；
(2)将密封套筒17两端旋转到不锈钢接头16上，螺纹的内部有橡胶圈以提高密封性能；
(3)在密封套筒17的顶部带有吊钩21的部位出光纤的线，光纤采用室外用的铠装光缆，注意该光缆与不锈钢接头的密封(可以采用螺丝扣压住橡胶圈的密封方法)；
(4)将铠装光缆的接头接到信号臂5的接头上，即可以进行扫描；
(5)吊钩21的顶部由缆绳连接，就可以将整个LCI倾斜计6放入测斜管中进行测量。
结合图4，本实施例提供的基于低相干干涉技术的测斜系统的工作方法如下：
1)测斜管埋置于土体内部，用软绳固定在LCI倾斜计6的吊钩21上，然后将整个LCI倾斜计6沿着测斜管内壁缓慢并垂直地放入测斜管中需要测量倾斜的位置；
2)当LCI倾斜计6到达要测量挠度或转角的位置时，固定好LCI倾斜计6；
3)对LCI倾斜计6内部的LCI光纤传感器19进行逐个扫描，两个LCI光纤传感器19即需要扫描两次；利用宽带光源对信号臂和参考臂同时进行扫描，利用信号臂和参考臂的干涉导致光程的变化进而量化LCI光纤的变形大小；
4)记录扫描后得到的光程差结果；
5)将扫描后得到的两个光程差结果代入到公式(7)中计算角度。
试验表明，本实施例提供的基于低相干干涉技术的测斜系统测量方便且测量精度高。

Claims (8)

1.一种基于低相干干涉技术的测斜系统，其特征在于：包括LCI倾斜计(6)，LCI倾斜计(6)包括密封套筒(17)，悬臂梁(13)设于密封套筒(17)内且一端固定，悬臂梁(13)的自由端设有中心锤(12)，悬臂梁(13)的两端分别设有LCI光纤传感器(19)；
LCI光纤传感器(19)连接信号臂(5)，信号臂(5)与宽带光源(1)连接，信号臂(5)上设有第一耦合器(41)；参考臂(10)与信号接收处理系统(2)连接，参考臂(10)上设有第二耦合器(42)；第一耦合器(41)与第二耦合器(42)之间通过光纤光缆连接；第二耦合器(42)还连接末端切平的用以反射光信号的光纤(7)；参考臂(10)与光学移动扫描平台(8)上的反光镜(9)相配合。
2.如权利要求1所述的一种基于低相干干涉技术的测斜系统，其特征在于：所述密封套筒(17)的两侧连接不锈钢接头(16)，一侧的不锈钢接头(16)连接吊钩(21)。
3.如权利要求1所述的一种基于低相干干涉技术的测斜系统，其特征在于：所述悬臂梁(13)为聚碳酸酯材料制成的传感部件。
4.如权利要求1所述的一种基于低相干干涉技术的测斜系统，其特征在于：所述信号臂(5)为一段长度可以调整的光纤，光纤的两端反射率不同。
5.如权利要求1所述的一种基于低相干干涉技术的测斜系统，其特征在于：光信号首先从宽带光源(1)发出，经过第一耦合器(41)后进入信号臂(5)，信号臂(5)与LCI倾斜计(6)中的带有不同反射率的LCI光纤传感器(19)相连接，安装在悬臂梁(13)上的LCI光纤传感器(19)因悬臂梁(13)发生弯曲而产生拉压变形；光纤的拉压变形导致光程的变化，当由信号臂(5)和参考臂(10)反射回的光的光程差低于最小相干光程时，则光的干涉就会发生；根据光的干涉导致的光程差结果计算悬臂梁(13)在竖直方向产生的倾斜角度。
6.一种基于低相干干涉技术的测斜方法，采用如权利要求1～5任一项所述的基于低相干干涉技术的测斜系统，其特征在于，步骤为：
步骤1：将整个LCI倾斜计(6)垂直地放入测斜管中需要测量倾斜的位置；
步骤2：当LCI倾斜计(6)到达要测量挠度或转角的位置时，固定好LCI倾斜计(6)；
步骤3：对LCI倾斜计(6)内部两端的LCI光纤传感器(19)进行逐个扫描；每次均利用宽带光源(1)对信号臂(5)和参考臂(10)同时进行扫描，并记录扫描后得到信号臂(5)和参考臂(6)的干涉导致的光程差结果；
步骤4：利用所得到的光程差结果计算悬臂梁(13)在竖直方向产生的倾斜角度。
7.如权利要求6所述的一种基于低相干干涉技术的测斜方法，其特征在于：所述步骤1中，用软绳固定在LCI倾斜计(6)上方的吊钩(21)上，然后将整个LCI倾斜计(6)垂直地放入测斜管中需要测量倾斜的位置。
8.如权利要求6所述的一种基于低相干干涉技术的测斜方法，其特征在于：所述步骤4中，利用所得到的光程差结果计算悬臂梁(13)在竖直方向产生的倾斜角度的方法为：
信号臂上相邻两段LCI光纤传感器的光程差Δx由LCI光纤传感器应变变形后的光纤光程变化ΔL(ε)，以及相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)产生，如以下公式所示：
Δx＝nΔL(ε)+LΔn(ε) (1)
式中，ε代表应变变形，L为光纤长度，n为纤芯指数，由应变变形导致的光纤光程变化ΔL(ε)和相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)分别由以下的公式表示：
ΔL(ε)＝Lε (2)
其中，μ为泊松比，p11和p12为光纤的Pockel常数；将公式(1)、(2)和(3)合并后可以得到以下计算光程差的公式：
对于标准的单模光纤，各个参数分别为p11＝0.12，p12＝0.27，μ＝0.25，n＝1.46，因此可以得到光程差和应变的关系如下所示：
Δx＝1.19Lε (5)
假设悬臂梁的厚度为D，转角为θ，悬臂梁的两侧表面的应变分别为εai与εbi，由εai与εbi导致的光程差分别为Δxa与Δxb；当悬臂梁发生受弯后，假定变形很小的情况下，可近似的认为
εai与εbi分别可以由公式(5)求得，即可以进一步的将公式(6)简化为：
即可以利用光程差Δxa与Δxb计算悬臂梁相应的转角θ。
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