CN106441389A - 一种光纤光栅岩体损伤演化监测系统 - Google Patents

一种光纤光栅岩体损伤演化监测系统 Download PDF

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何治荣
孙吉主
罗忆
王明洋
刘婷婷
李友华
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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅岩体损伤演化监测系统，所述系统包括光纤光栅应变传感器、接线盒、高频高速调制解调仪、数据采集器、监测装置、电缆、钢筋；所述光纤光栅应变传感器感知周围物理场的变化，所述的高频高速调制解调仪对接收到的信号进行解调，所述的数据采集器对监测参数进行处理，所述监测装置输出岩体纵波波速与时间的关系、岩体纵波波速与桩号的关系。本发明系统能够高效、快速、简便准确的监测岩体损伤演化。

Description

一种光纤光栅岩体损伤演化监测系统
技术领域
本发明涉及岩体损伤测量技术，尤其涉及一种光纤光栅岩体损伤演化监测系统。
背景技术
研究岩体的损伤程度，对灾害的提前预测以及预测岩体的剩余寿命等已成为当前学者们研究的热点。
伴随着桥隧工程建设重点逐渐向西部、山区等地质构造复杂的地区转移，地质条件越发复杂、施工环境逐渐恶劣，在自然灾害、突变效应等因素的共同作用下，地下厂房与隧道工程建设期与服役期的安全事故频发，监测其周边岩体损伤具有十分重要的意义。
传统声波探测方式检测岩体损伤存在操作复杂、可靠性不强、精度低、匹配性差，不能长期固定在岩体内部监测等缺陷，研究一项新的监测岩体损伤的系统必不可少。
光纤光栅由于体积小，非常容易与传感结构和材料融合，高速、高精度、操作简便等优点，在工程上备受青睐。尽管光纤光栅应变传感器测量应变在工程上已有应用，但是通过把测量岩体动应变装置组合起来用于监测岩体损伤演化却是一项新方法、新技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种光纤光栅岩体损伤演化监测系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光纤光栅岩体损伤演化监测系统，包括：
固定于岩体内部，沿岩体开挖进深轴线间隔布置的多个光纤光栅应变传感器、接线盒、高频高速调制解调仪、数据采集器和处理装置；
每个光纤光栅应变传感器通过两根电缆与接线盒连接，接线盒与高频高速调制解调仪连接，高频高速调制解调仪与数据采集器连接，数据采集器与处理装置连接；
所述光纤光栅应变传感器用于接收振动波，并产生应变数据；
所述高频高速调制解调仪用于对数据进行解调；
所述数据采集器同步采集整个过程中的损伤参数，所述损伤参数包括应变、时间参数、桩号；所述桩号为光纤光栅应变传感器的编号；
所述监测装置用于根据数据采集器的数据获得岩体纵波速度与时间的关系，岩体纵波速度与桩号的关系，岩体损伤系数与时间的关系；根据岩体纵波速度与时间的关系、岩体纵波速度与桩号的关系监测岩体是否损伤。
按上述方案，所述光纤光栅应变传感器包括钢筋、一个或多个光栅和环氧胶，通过环氧胶将光栅粘贴在钢筋的凹槽中。
按上述方案，所述数据采集器中岩体纵波速度采用以下公式计算：
式中：d表示两相邻光栅的间距；
CP为岩体纵波速度；
t1表示两相邻光栅中前一个光栅上应变第一个波段峰值所对应时刻；
t2表示两相邻光栅中后一个光栅上应变第一个波段峰值所对应时刻。
按上述方案，所述数据采集器中损伤系数采用以下方法计算：以光纤光栅应变传感器上最后两个相邻光栅这段距离岩体的纵波速度作为基准值，损伤系数其中，C'P为其他光栅应变传感器间岩体的纵波速度，CP为基准值。
按上述方案，所述高频高速解调仪的采样频率不小于4000HZ。
按上述方案，所述光纤光栅应变传感器中相邻光栅的间距为20cm左右。
本发明产生的有益效果是：本发明可以长期甚至永久的埋入岩体内部，因此能够高效、快速、简便准确的监测岩体损伤演化(损伤演化即损伤随时间的变化情况)。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的光纤光栅岩体损伤演化监测系统图；
图2是单个光纤光栅应变传感器装置图；
图3是光纤光栅以及钢筋的断面图；
图4是光纤光栅应变传感器的结构图；
图5是相邻光栅的应变与时间曲线图，图中横坐标表示时间，纵坐标表示应变；
图6是计算机上输出的岩体纵波速度与时间曲线图、岩体纵波速度与桩号曲线图、损伤系数与时间曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明利用光纤光栅岩体损伤演化监测系统监测岩体损伤的系统，包括光纤光栅应变传感器、电缆、钢筋、接线盒、高频高速解调仪、数据采集器、用于监测的计算机。所述的钢筋带有开槽，钢筋总长为3.25m，钢筋洗槽的尺寸为：长为3.25m，宽为4mm左右，深2mm左右。
一种光纤光栅岩体损伤演化监测系统，所述操作包括如下步骤：
(1)将制备好的光纤光栅应变传感器固定于岩体内部，通过两根电缆与接线盒连接；
(2)将接线盒与高频高速调制解调仪连接，高频高速调制解调仪与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接。
(3)输入振动波后，光纤光栅应变传感器上相邻两个光栅会先后产生应变；
(4)利用高频高速调制解调仪对数据进行解调，数据采集器同步采集整个过程中的损伤参数，所述损伤参数包括岩时间参数、桩号、应变参数。
利用数据采集器对同步采集的岩体纵波速度、岩体损伤系数进行处理，根据岩体纵波速度与时间的关系、岩体纵波速度与桩号的关系、岩体损伤系数与时间关系监测岩体损伤；
记录相邻光栅中前一个光栅上ε～t曲线上应变第一个波段波峰对应时间为t1，记录相邻光栅中后一个光栅上ε～t曲线上应变第一个波段波峰对应的时间为t2。
推算出波在两相邻光纤上往返传播的时间间隔为t2-t1。
运用物理学上时间，距离，速度三者之间的关系式在已知距离很时间的情况下求速度，则纵波的传播速度为
以光纤光栅应变传感器上最后两个相邻光栅这段距离岩体的纵波速度作为基准值，损伤系数其中，C'P为其他光栅间岩体的纵波速度，CP为基准值。
(5)利用监测装置对同步采集的岩体纵波速度、岩体损伤系数进行记录，根据岩体纵波速度与时间的关系监测岩体损伤；
把光纤光栅应变传感器上最后两个相邻光栅间传播速度记为CP，其他光栅间的纵波速度记为C'P；
进一步的，若c'p＜0.9cp，则认为对应桩号的区域存在岩体损伤。
实施例1
一种利用光纤光栅岩体损伤演化监测系统来监测岩体损伤的系统，所述的系统包括光纤光栅应变传感器、电缆、钢筋、接线盒、高频高速解调仪、数据采集器、计算机。光纤光栅应变传感器沿岩体开挖进深轴线每隔10m-15m布置一根。
使用时，在爆破点进行爆破，产生振动波，光纤光栅感应外部物理场的变化，高频高速调制解调仪对接收的信号解调，数据采集器同步采集整个过程中的损伤参数，包括时间参数、桩号、应变参数。数据采集器对应变参数进行处理后得岩体纵波速度，再对岩体纵波速度进行处理后得损伤系数，根据计算机上岩体纵波速度与时间的关系、岩体损伤系数与时间的关系、岩体纵波速度与桩号的关系来监测岩体损伤演化情况。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤光栅岩体损伤演化监测系统，其特征在于，包括：
固定于岩体内部，沿岩体开挖进深轴线间隔布置的多个光纤光栅应变传感器、接线盒、高频高速调制解调仪、数据采集器和处理装置；
每个光纤光栅应变传感器通过两根电缆与接线盒链接，接线盒与高频高速调制解调仪连接，高频高速调制解调仪与数据采集器连接，数据采集器与处理装置连接；
所述光纤光栅应变传感器用于感知周围物理场的变化接收振动波，并产生应变数据；
所述高频高速调制解调仪用于对数据进行解调；
所述数据采集器同步采集整个过程中的损伤参数，所述损伤参数包括应变、时间参数、桩号；所述桩号为光纤光栅应变传感器的编号；并根据损伤参数计算岩体纵波速度和岩体损伤系数；
所述监测装置用于根据数据采集器的数据获得岩体纵波速度与时间的关系，岩体纵波速度与桩号的关系，岩体损伤系数与时间的关系；根据岩体纵波速度与时间的关系、岩体纵波速度与桩号的关系监测岩体是否损伤。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅岩体损伤演化监测系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器包括钢筋、一个或多个光栅和环氧胶，通过环氧胶将光栅粘贴在钢筋的凹槽中。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅岩体损伤演化监测系统，其特征在于，所述数据采集器中岩体纵波速度采用以下公式计算：
C P = 2 d t 2 - t 1
式中：d表示两相邻光栅的间距；
CP为岩体纵波速度；
t1表示两相邻光栅中前一个光栅上应变第一个波段峰值所对应时刻；
t2表示两相邻光栅中后一个光栅上应变第一个波段峰值所对应时刻。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅岩体损伤演化监测系统，其特征在于，所述数据采集器中损伤系数采用以下方法计算：以光纤光栅应变传感器上最后两个相邻光栅这段距离岩体的纵波速度作为基准值，损伤系数其中，C'P为其他光栅间岩体的纵波速度，CP为基准值。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅岩体损伤演化监测系统，其特征在于，所述高频高速解调仪的采样频率不小于4000HZ。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅岩体损伤演化监测系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器中相邻光栅的间距为20cm。
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