CN109990724A - 基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物理模型试验技术领域，具体公开了一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置、系统及方法，实验装置包括支架、固定安装在支架上的第一固线夹和第二固线夹、固定安装在支架上的第一定滑轮和第二定滑轮以及用于施加预应力的第一动滑轮和第二动滑轮；系统包括实验装置以及光频域分析仪和计算机，光频域分析仪与光纤的两端连接，计算机与光频域分析仪连接，用于分析测量后的光信号。本发明的实验装置通过在第一动滑轮和第二动滑轮上悬挂砝码对光纤施加预先拉应力而使光纤产生拉应变，有效的模拟了地层变形检测中分布式光纤传感器在拉力作用下的物理特性，实现地层受压时的压应变值检测，从而得到更精确的分析结果。

Description

基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及物理模型试验技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置、系统及方法。

背景技术

地层沉降是一种世界性地质问题，严重时将成为地质灾害。模型试验通过在室内模拟现场工程结构及其受载情况，根据试验结果并依据相似理论进行反演分析，以获得现场工程结构体的变形特征、稳定性、受力状态和破坏机理等，并最终反映工程现场的实际状态，是解决现场工程问题的最直观方法。地层变形模拟试验装置变形测试方法主要有百分表测量、位移传感器测量、全站仪测量和近景摄影测量，以上所有测试方法只能测量模型外部变形和整体变形，不能对模型内部变形和应变进行测量。传统的应变检测手段主要有电阻应变计式、差动电阻应变计式、钢弦式和液压枕式等几类传感器，同时国内外有学者采用声频应力波检测的方法和探地雷达，小波分析等方法。这些机电类敏感元器件已大量使用，并已有成熟的技术，尤其是电阻应变计的长期稳定性、温度漂移、零点稳定和长距离传输问题得到较好的解决。但这些传感器仍存在防潮、防水、抗干扰性能差，不能实现分布式测量等缺点。这些缺陷阻碍了模型试验准确度水平的提高和科学研究日益增长的高精度的要求。

光纤传感技术是一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的传感技术。分布式光纤传感技术被应用于各类岩土结构的变形检测，在测试方法应用和测量仪器研发上做了大量工作。然而，多数研究仍停留在分布式光纤对岩层变形测量的适用性上，在测试结果的可靠性和测试结果解释上仍不明确，主要表现在光纤和被测基体间的耦合关系以及光纤对应变的测量方法不完善。所以，设计一种更加完善的测量方案成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置、系统及方法。

一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，包括支架、固定安装在支架上的第一固线夹和第二固线夹、固定安装在支架上的第一定滑轮和第二定滑轮以及用于施加预应力的第一动滑轮和第二动滑轮；其中：光纤的一端由第一固线夹夹持，另一端依次绕过第一动滑轮、第一定滑轮、第二定滑轮和第二动滑轮后，由第二固线夹夹持；第一动滑轮和第二动滑轮的下方悬挂质量相等的砝码，对第一动滑轮和第二动滑轮产生向下的拉力，进而对光纤施加预应力。

进一步的，实验装置还包括柱形筒和穿孔板，其中：穿孔板水平放置在柱形筒内的中下部，且其外径与柱形筒的内径相匹配；穿孔板上至少设置有两个位置相互对称的第一通孔和第二通孔，光纤在绕过第一定滑轮后依次穿过穿孔板上的第一通孔和第二通孔，再绕过第二定滑轮；柱形筒内的穿孔板下方填装缓冲材料，柱形筒内的穿孔板上方填装有成分均匀的模型材料。

进一步的，实验装置还包括设有U型凹槽的绕线卡槽，其中：绕线卡槽安装在穿孔板的下方，且U型凹槽的两端分别与第一通孔和第二通孔相衔接；光纤穿过第一通孔后，绕入U型卡槽后再穿过第二通孔。

进一步的，第一动滑轮与第二动滑轮分别通过第一弹簧和第二弹簧连接在支架上。

进一步的，支架包括横杆、第一竖杆、第二竖杆，其中：横杆的两端分别固定在第一竖杆和第二竖杆的上端。

进一步的，横杆和第一竖杆、第二竖杆均为可伸缩结构。

进一步的，光纤上设有增阻点。

本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，通过在第一动滑轮和第二动滑轮上悬挂砝码对光纤施加预先拉应力而使光纤产生拉应变，通过柱形筒以及穿孔板的设计使光纤收到模型材料的压力而产生压应变，有效的模拟了地层变形检测中分布式光纤传感器在拉力和压力作用下的物理特性，实现了地层受压时的压应变值检测，从而得到更精确结果。

一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验系统，包括上述的实验装置，还包括光频域分析仪和计算机，其中：光频域分析仪的输入端和输出端分别与光纤的两端连接，输出端向光纤发送用于测量的光信号，输入端接收测量后的光信号；计算机与光频域分析仪连接，用于分析测量后的光信号。

本发明实施例的基于分布式光纤传感器的预应力加载实验系统，在上述实验装置的基础上，结合光频域分析仪完成实验，并通过计算机对测量结果进行分析，从而得到光纤更为准确的物理特性，为分布式光纤传感器的实际测量提供了高价值的参考性。

一种应用基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的实验方法，包括：

(1)将光纤一端由第一固线夹夹持后，另一端依次绕过第一动滑轮、第一定滑轮、第二定滑轮和第二动滑轮后，由第二固线夹夹持；

(2)光纤的两端分别与光频域分析仪的输入端和输出端连接；光频域分析仪与计算机电连接，并开启光频域分析仪与计算机；

(3)光频域分析仪向光纤发送用于测量的光信号，并接收测量后的光信号；计算机对光信号进行分析；

(4)在第一动滑轮和第二动滑轮下方同时悬挂质量相等的砝码；

(5)重复步骤(3)

(6)实验结束。

一种应用基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的实验方法，包括：

(1)在柱形筒底部填装缓冲材料；

(2)将光纤一端由第一固线夹夹持后，另一端依次经第一动滑轮、第一定滑轮、第一通孔、第二通孔、第二定滑轮和第二动滑轮后，由第二固线夹夹持；穿孔板水平放置在柱形筒内的缓冲材料上方；

(3)在柱形筒内填装第一部分模型材料；

(4)光纤的两端分别与光频域分析仪的输入端和输出端连接；光频域分析仪与计算机电连接，并开启光频域分析仪与计算机；

(5)光频域分析仪向光纤发送用于测量的光信号，并接收测量后的光信号；计算机对光信号进行分析；

(6)在第一动滑轮和第二动滑轮下方同时悬挂质量相等的砝码；

(7)重复步骤(5)；

(8)在所述柱形筒内填装第二部分模型材料；

(9)卸掉悬挂在第一动滑轮和第二动滑轮下方的砝码；

(10)重复步骤(5)；

(11)实验结束。

本发明的基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的实验方法，公开了利用实验装置进行实验的过程，实现光纤的预应力加载实验，进而分析光纤在受到拉力或者压力时的物理特性，为实际的分布式光纤传感器测量地层变形奠定了基础，提高实际测试的准确度。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的结构图；

图2为本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的另一结构图；

图3为本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的绕线卡槽结构图(一)；

图4为本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的穿孔板结构设计图；

图5为本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的绕线卡槽结构图(二)；

图6为本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的绕线卡槽结构图(三)；

图7为本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的增阻点分布图；

图8为本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验系统的组成图；

图9为本发明实施例的另一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验系统的组成图。

其中：1-支架、101-横杆、102-第一竖杆、103-第二竖杆、2-第一固线夹、 3-第二固线夹、4-第一定滑轮、5-第二定滑轮、6-第一动滑轮、7-第二动滑轮、 8-光纤、9-柱形筒、10-穿孔板、11-第一通孔、12-第二通孔、13-U型凹槽、 14-绕线卡槽、15-第一弹簧、16-第二弹簧、17-增阻点、18-光频域分析仪、19- 计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明实施例的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，包括支架1、固定安装在支架1上的第一固线夹2和第二固线夹3、固定安装在支架1上的第一定滑轮4和第二定滑轮5以及用于施加预应力的第一动滑轮6和第二动滑轮7；其中：光纤8的一端由第一固线夹2夹持，另一端依次绕过第一动滑轮6、第一定滑轮4、第二定滑轮5和第二动滑轮7后，由第二固线夹3夹持；第一动滑轮6和第二动滑轮7的下方悬挂质量相等的砝码，对第一动滑轮6和第二动滑轮7产生向下的拉力，进而对光纤8施加预应力。

本实施例中的支架1用于为整个实验起到支撑的作用，此处对其具体设计结构不做限定，可将支架1设计为包括横杆101、第一竖杆102、第二竖杆103，横杆101的两端分别固定在第一竖杆102和第二竖杆103的上端。为加强支架1 的稳定性，本实施例还可将支架1设计成具有三个、四个甚至多个竖杆的结构，并设计有至少一个横杆用于安装第一定滑轮4、第二定滑轮5以及设置第一固线夹2、第二固线夹3。优选的，本实施例设计的支架1为对称结构，确保实验进行时受力均匀，准确度更高。本实施例中的第一固线夹2和第二固线夹3用于夹持光纤8，并保证光纤8在受力的情况下不会发生移动，使光纤8在预应力施加过程中用于测量的区间保持不变，使测量结果更加易于比较分析。

本实施例中的第一定滑轮4和第二定滑轮5安装在同一水平高度，第一动滑轮6和第二动滑轮7位于同一水平高度，且第一定滑轮4、第二定滑轮5、第一动滑轮6和第二动滑轮7位于同一平面。本实施例对第一定滑轮4、第二定滑轮5以及第一动滑轮6、第二动滑轮7的产品型号不做限定，优选的，第一定滑轮4和第二定滑轮5结构完全相同，第一动滑轮6和第二动滑轮7的结构完全相同；更优选的，第一定滑轮4、第二定滑轮5、第一动滑轮6和第二动滑轮7 的结构均完全相同。本实施例的实验装置，利用光纤8的分布式传感特性，在第一动滑轮6和第二动滑轮7受竖直向下的力时，对光纤8产生拉力，进而分析光纤8对于拉力的应变效果，作为光纤测量地层变化的实验模型。需要说明的是，本实施例中所施加砝码的重量应当在光纤8可承受范围以内。

如图2与图3所示，本发明的另一种实施例的基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，在上一实施例的基础上，本实施例还包括柱形筒9和穿孔板10，其中穿孔板10水平放置在柱形筒9内的中下部，且其外径与柱形筒9的内径相匹配；穿孔板10上至少设置有两个位置相互对称的第一通孔11和第二通孔12，光纤8在绕过第一定滑轮4后依次穿过穿孔板10上的第一通孔11和第二通孔12，再绕过第二定滑轮5；柱形筒9内的穿孔板10下方填装缓冲材料，柱形筒9内的穿孔板上方填装有成分均匀的模型材料。需要说明的是，本实施例中的模型材料的重量应大于外部悬挂砝码的重量，确保测量光纤8压应力和拉应力的过程中，穿孔板10的位置不会向上移动。

本实施例中的柱形筒9内所填装的缓冲材料以及模型材料用于模拟地层土质，以实现对光纤8的压力的应变效果，本实施例中对缓冲材料和模型材料的成分均不作限定，优选的，采用细石英砂作为缓冲材料，为保证实验分析的准确性，采用材质均匀的砂土作为模型材料，使位于模型材料下方的光纤8能够受力均匀，本实施例的模型材料还可选用粘土、砂质粘土。在本实施例中，不限定柱形筒9以及穿孔板10的具体形状，只需穿孔板10外径与柱形筒9的内径相匹配，柱形筒9的截面可设计为圆形、正方形、长方形、正多边形(边为偶数)等；本实施例也不限定柱形筒9和穿孔板10的具体尺寸和材质，可选用硬质塑料制成。本实施例中的穿孔板10，设置有至少两个位置对称的第一通孔11和第二通孔12，本实施例中所限定的位置相互对称，其含义是，第一通孔11 和第二通孔12所在的直线为穿孔板10的一条对称轴，且伸出穿孔板10的光纤 8的两端所受力的大小均等。将位置对称的第一通孔11和第二通孔12称作一组通孔，即本实施例的穿孔板10可设置多组，如图4所示，为圆形的穿孔板10，其中a-a’,b-b’,c-c’,d-d’,e-e’,f-f’，g-g’，h-h’分别为一组通孔，本实施例对通孔的设计并没有限定具体的位置，优选的，在穿孔板10的一条对称轴上设置多组通孔，类似c-c’、d-d’、e-e’、f-f’、g-g’、h-h’，便于调整压应力实验的光纤8长度，可做为一项变量进行多次实验，对后期的实验分析更加准确。本实施例中通孔的孔径大小则根据光纤8的线径进行设计，例如a-a’这一组通孔的孔径相对较大，适用于线径稍大的光纤8。优选的，在本实施例中，光纤8在第一固线夹2和第一动滑轮6之间、第一动滑轮6和第一定滑轮4之间、第一定滑轮4和第一通孔11之间、第二通孔12和第二定滑轮5之间、第二定滑轮5和第二动滑轮7之间以及第二动滑轮7和第二固线夹3之间的各部分均为竖直方向，当光纤8受到应力时，受力方向与线材方向一致，便于受力分析。

本发明的基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，一方面，选用光纤传感技术用于模型试验，具有抗干扰能力强、耐久性好、传感媒介形式多样、轻细柔韧、便于安装的优点；另一方面，本装置中设计的第一固线夹2和第二固线夹3将光纤8固定夹持，确定了预应力加载实验的测试范围；利用砝码预先对光纤8施加拉应力，从而准确的检测光纤8在模型材料施加的压应力下产生的应变效果，进而提高光纤8在实际的地层变形测量中的准确度以及精度。

具体的，如图3所示，本实施例的实验装置还包括设有U型凹槽13的绕线卡槽14，其中：绕线卡槽14安装在穿孔板10的下方，且U型凹槽13的两端分别与第一通孔11和第二通孔12相衔接；光纤8穿过第一通孔11后，绕入U型卡槽13后再穿过第二通孔12。本实施例设计绕线卡槽14，是为了减小位于穿孔板10下方的光纤部分弯曲弧度，缓解穿孔板以及上方模型材料对光纤的挤压，防止过分弯折对测量结果如造成影响甚至损坏光纤8。图3与图5、图6所示，本实施例中的绕线卡槽14不仅可设计为“U型”，还可设为“圆弧形”、“半圆形”，或者绕线卡槽14还可设计其他具有缓冲效果的卡槽来满足实验的要求。本实施例对绕线卡槽14的材质不做具体的限定，优选用橡胶或者其他需有弹性的材质制成。

具体的，如图1或图2所示，在本实施例中的第一动滑轮6与第二动滑轮7 分别通过第一弹簧15和第二弹簧16连接在支架1上。采用第一弹簧15和第二弹簧16的设计，可以将第一动滑轮6和第二动滑轮7的位置相对固定，当第一动滑轮6和第二动滑轮7的下方不悬挂砝码时，光纤8的受力为零；当第一动滑轮6和第二动滑轮7的下方悬挂砝码时，第一弹簧15和第二弹簧16发生拉伸，第一动滑轮6和第二动滑轮7向下移动，光纤8出现拉伸效果实现测量。本实施例对第一弹簧15和第二弹簧16的具体尺寸和材质不作限定，但在选取时，应当考虑实验时所施加的砝码的质量，使弹簧发生形变才可。

具体的，本实施例的横杆101和第一竖杆102、第二竖杆103均为可伸缩结构。在本发明的实施例中，由于穿孔板10上第一通孔11和第二通孔12的选定，会因为第一通孔11和第二通孔12的距离影响第一定滑轮4至第一通孔11之间、第二定滑轮5至第二通孔12之间光纤8的布线方向，为保持这两个区段光纤8 能够保持竖直方向，本实施例将横杆101设计成可伸缩结构，满足本实验装置一组通孔的距离为不同值时，横杆101可以进行适应性的调整。另外，将第一竖杆102和第二竖杆103设计成可伸缩结构，可以调整第一定滑轮4至第一通孔11之间、第二定滑轮5至第二通孔12之间光纤8的长度，进而对光纤8的受力区段做出调整，以适应不同的实验需求。优选的如图1与图2所示，在本实施例的支架1中，还包括安装在第一竖杆102下端的第一底座104和安装在第二竖杆103下端的第二底座105，第一底座104和第二底座105的设计可以提高支架1整体的稳定性，进一步确保实验的顺利进行。

具体的，如图7所示，本实施例中的光纤8上设有增阻点17。为了保证光纤8与模型材料之间的耦合性，使应变测试时的结果更加接近真实值，在光纤8 的测试区段内，每隔一段距离设置一个增阻点17，本实施例的增阻点17设置方式可为使用固定宽度的胶带在光纤8上缠绕一定厚度，例如将增阻点17的间距设定为10cm，选用8mm宽的胶带缠绕光纤8，使其外径增加1mm。

如图8和图9所示，本发明实施例还提供一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验系统，包括上述实施例中的实验装置，还包括光频域分析仪18和计算机19，其中：光频域分析仪18的输入端和输出端分别与光纤8的两端连接，输出端向光纤发送用于测量的光信号，输入端接收测量后的光信号；计算机19 与光频域分析仪18连接，用于分析测量后的光信号。本实施例中光纤8的应力测试最终体现在光信号的变化，现有技术中采用的分析方法是基于布里渊时域以及频域的分析技术，当光纤8某一部分的应变出现变化时，布里渊频移随之发生变化，接收该点的布里渊散射信号，确定出光纤各段区域上能量转移达到最大时所对应的频域差，从而得到应变信息。本实施例对频域差值转化为应变信息的具体计算过程不做赘述，对于本领域技术人员来说，该技术公知且时常应用。

本发明还提供一种应用上述实施例实验装置的实验方法，通过以下步骤实现：

步骤S101：将光纤一端由第一固线夹夹持后，另一端依次绕过第一动滑轮、第一定滑轮、第二定滑轮和第二动滑轮后，由第二固线夹夹持。

本步骤是将实验装置按照要求安装好，需要注意的是，本方法中的光纤安装好以后呈现自然紧绷不受力的状态。

步骤S102：光纤的两端分别与光频域分析仪的输入端和输出端连接；光频域分析仪与计算机电连接，并开启光频域分析仪与计算机。

将实验装置中的光纤与光频域分析仪相连接，计算机也与光频域分析仪相连接，为实验做好准备工作。

步骤S103：光频域分析仪向光纤发送用于测量的光信号，并接收测量后的光信号；计算机对光信号进行分析。

在光纤不受力的情况下进行一次检测，与后期受力检测进行对比分析。

步骤S104：在第一动滑轮和第二动滑轮下方同时悬挂质量相等的砝码。

本步骤所选用的砝码质量必须在光纤所承受范围以内，本实施例对选用光纤的种类不作限定，可为普通光纤或者铠装光纤，当本实施例选用铠装光纤时，可适当选择质量较大的砝码进行实验。一般情况下，选用质量在3-25kg以内。

步骤S105：重复步骤S103。

在第一动滑轮和第二动滑轮下方施加了砝码之后，光频域分析仪再次向光纤发送用于测量的光信号，并接收测量后的光信号，同时计算机对光信号进行分析。

本实施例也可多次执行步骤S104和步骤S105，只是每次悬挂的砝码质量应该不同，才能对比光纤在不同的受力情况下所发生的应变结果，从而对光纤的受力分析更加准确。本实施例只有得到更准确的分析结果才能在实际的光纤测量中有更大的利用价值。

步骤S106：实验结束。

本发明还提供另一种应用上述实施例实验装置的实验方法，通过以下步骤实现：

步骤S201：在柱形筒底部填装缓冲材料。

本实施例中，不限定缓冲材料的填充量，只是为穿孔板产生缓冲的效果，具体材质可参考以上实施例。

步骤S202：将光纤一端由第一固线夹夹持后，另一端依次经第一动滑轮、第一定滑轮、第一通孔、第二通孔、第二定滑轮和第二动滑轮后，由第二固线夹夹持；穿孔板水平放置在柱型筒内的缓冲材料上方。

本实施例按照如上要求将光纤布好后，应当保持光纤在各个部件之间的区段为竖直方向。

步骤S203：在柱形筒内填装第一部分模型材料。

在本步骤中所填装的第一部分模型材料的重量应当不小于后面步骤将要悬挂的砝码的重量，以保证在后续步骤悬挂砝码时，穿孔板不会由于砝码的拉力上移。本实施例的模型材料优选用成分均匀的砂土，在填装时采用砂雨法以保证模型材料的物理力学特性相同。本实施例的模型材料还可选用几种不同成分的土壤来模拟不同地质层，具体设计视实验的要求而定，此处不做限定。

步骤S204：光纤的两端分别与光频域分析仪的输入端和输出端连接；光频域分析仪与计算机电连接，并开启光频域分析仪与计算机。

步骤S205：光频域分析仪向光纤发送用于测量的光信号，并接收测量后的光信号；计算机对光信号进行分析。

本步骤在光纤只受第一部分模型材料压力的时候进行一次压应变的测量，可与以面步骤测量结果进行对比计算。

步骤S206：在第一动滑轮和第二动滑轮下方同时悬挂质量相等的砝码。

本步骤中在第一动滑轮和第二动滑轮下方施加的砝码质量应当小于或等于第一部分模型材料的质量，保证测量过程中穿孔板的位置不发生移动。本步骤中将砝码悬挂后，光纤受到砝码重力的作用而呈现拉伸状态，而光纤在拉伸状态下受力作用时，对所受力的应变效果更佳明显，也更容易测量。

步骤S207：重复步骤S205。

在第一动滑轮和第二动滑轮下方施加了砝码之后，光频域分析仪再次向光纤发送用于测量的光信号，并接收测量后的光信号，同时计算机对光信号进行分析，分析出光纤受到砝码重力的作用后其光学性能如何变化，并为后期测量作参考。

步骤S208：在所述柱形筒内填装第二部分模型材料。

通过步骤步骤S206将砝码施加后，处于拉伸状态的光纤在柱形筒填装第二部分模型材料的过程中，由于穿孔板上部的模型材料越来越多，光纤所受的压应力也逐渐变大，直至模型材料填装完成。本实施例对第一部分模型材料和第二部分模型材料的具体质量或者体积不做限定，第一部分模型材料的质量与所悬挂砝码的质量相关，第二部分模型材料的质量则与本次实验要求相关，在不同的实验要求下去测量光纤对不同质量(或成分、密度等)的模型材料的压应变响应。本步骤完成后可再次执行步骤S205，得到一次测量结果，用于后面实验结果的对比分析。

步骤S209：卸掉悬挂在第一动滑轮和第二动滑轮下方的砝码。

由于模型材料对光纤的摩擦力作用，使原本处于拉伸状态的光纤在砝码卸掉后并不会出现明显的收缩，而在光纤拉伸的状态下去检测模型材料对光纤施加压力时光纤的压应变，则会得到更加准确的结果，这是由于光纤在拉伸状态下对于预应力的施加更加灵敏，所以测量的结果也更加精确。

步骤S210：重复步骤步骤S205。

对卸掉砝码后的光纤对模型材料的压应力进行测量，进而分析光纤在不同受力情况下对于应力的测量结果，对于实验结果的分析应当是综合本方法中所有测量的结果进行计算分析而得出结论。

步骤S211：实验结束。

本发明实施例的实验方法，可选用不同质量的砝码以及不同质量(或成分、密度)的模型材料进行多次实验，从而检测光纤在受到不同拉应力与压应力情况下的应变效果。为实际光纤测量地层变形提供精准的参考数据。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，其特征在于，包括支架、固定安装在所述支架上的第一固线夹和第二固线夹、固定安装在所述支架上的第一定滑轮和第二定滑轮以及用于施加预应力的第一动滑轮和第二动滑轮；其中：

光纤的一端由所述第一固线夹夹持，另一端依次绕过所述第一动滑轮、所述第一定滑轮、所述第二定滑轮和所述第二动滑轮后，由所述第二固线夹夹持；

所述第一动滑轮和所述第二动滑轮的下方悬挂质量相等的砝码，对所述第一动滑轮和所述第二动滑轮产生向下的拉力，进而对光纤施加预应力。

2.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，其特征在于，还包括柱形筒和穿孔板，其中：

所述穿孔板水平放置在所述柱形筒内的中下部，且其外径与所述柱形筒的内径相匹配；所述穿孔板上至少设置有两个位置相互对称的第一通孔和第二通孔，所述光纤在绕过所述第一定滑轮后依次穿过所述穿孔板上的所述第一通孔和所述第二通孔，再绕过所述第二定滑轮；

所述柱形筒内的所述穿孔板下方填装缓冲材料，所述柱形筒内的所述穿孔板上方填装有成分均匀的模型材料。

3.如权利要求2所述的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，其特征在于，还包括设有U型凹槽的绕线卡槽，其中：

所述绕线卡槽安装在所述穿孔板的下方，且所述U型凹槽的两端分别与所述第一通孔和第二通孔相衔接；

所述光纤穿过所述第一通孔后，绕入所述U型卡槽后再穿过所述第二通孔。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，其特征在于，所述第一动滑轮与所述第二动滑轮分别通过第一弹簧和第二弹簧连接在所述支架上。

5.如权利要求4所述的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，其特征在于，所述支架包括横杆、第一竖杆、第二竖杆，其中：

所述横杆的两端分别固定在所述第一竖杆和所述第二竖杆的上端。

6.如权利要求5所述的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，其特征在于，所述横杆和所述第一竖杆、所述第二竖杆均为可伸缩结构。

7.如权利要求4所述的一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，其特征在于，所述光纤上设有增阻点。

8.一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验系统，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的实验装置，还包括光频域分析仪和计算机，其中：

所述光频域分析仪的输入端和输出端分别与所述光纤的两端连接，所述输出端向所述光纤发送用于测量的光信号，所述输入端接收测量后的光信号；

所述计算机与所述光频域分析仪连接，用于分析所述测量后的光信号。

9.一种应用权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的实验方法，其特征在于，包括：

(1)将所述光纤一端由所述第一固线夹夹持后，另一端依次绕过所述第一动滑轮、所述第一定滑轮、所述第二定滑轮和所述第二动滑轮后，由所述第二固线夹夹持；

(2)所述光纤的两端分别与光频域分析仪的输入端和输出端连接；所述光频域分析仪与计算机电连接，并开启所述光频域分析仪与计算机；

(3)所述光频域分析仪向所述光纤发送用于测量的光信号，并接收测量后的光信号；所述计算机对光信号进行分析；

(4)在所述第一动滑轮和所述第二动滑轮下方同时悬挂质量相等的砝码；

(5)重复步骤(3)；

(6)实验结束。

10.一种应用权利要求2所述的基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置的实验方法，其特征在于，包括：

(1)在所述柱形筒底部填装缓冲材料；

(2)将所述光纤一端由所述第一固线夹夹持后，另一端依次经所述第一动滑轮、所述第一定滑轮、所述第一通孔、所述第二通孔、所述第二定滑轮和所述第二动滑轮后，由所述第二固线夹夹持；所述穿孔板水平放置在所述柱形筒内的缓冲材料上方；

(3)在所述柱形筒内填装第一部分模型材料；

(4)所述光纤的两端分别与光频域分析仪的输入端和输出端连接；所述光频域分析仪与计算机电连接，并开启所述光频域分析仪与计算机；

(5)所述光频域分析仪向所述光纤发送用于测量的光信号，并接收测量后的光信号；所述计算机对光信号进行分析；

(6)在所述第一动滑轮和所述第二动滑轮下方同时悬挂质量相等的砝码；

(7)重复步骤(5)；

(8)在所述柱形筒内填装第二部分模型材料；

(9)卸掉悬挂在所述第一动滑轮和所述第二动滑轮下方的砝码；

(10)重复步骤(5)；

(11)实验结束。