CN110984108B - 基于ofdr的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及方法，该系统包括分布式光纤应变传感器、自加热光纤温度传感器、测斜管、空心钢管、光纤数据采集仪、太阳能电池板、光纤接续盒、变压器、窄线宽可调谐激光器、耦合器、云平台、监测结果处理与显示系统和预警系统。分布式光纤应变传感器位于测斜管凹槽内，空心钢管固定在测斜管内侧，光纤温度传感器缠绕固定在空心钢管表面；光纤数据采集仪将数据通过云平台传输至监测结果处理与显示系统，该系统将峰值与设定预警值对比，判断是否预警；监测结果处理与显示系统与预警系统连接，预警时指示灯闪烁。本发明精度高、可提前预警，以预防因深层水平位移过大或地下水位变化过大导致结构失稳破坏。

Description

基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及 方法

技术领域

本发明涉及深层水平位移与地下水位监测预警系统，尤其涉及一种基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及方法。

背景技术

目前土建工程中主要采用测斜仪来进行深层水平位移监测，对深层土体水平位移监测所用的传统方式和仪器有以下不足之处：

(1)测量结果不连续，存在测量盲区；需要人工进行分段测量，测量过程时间较长，无法实现实时和自动化的监测。

(2)活动式测斜仪易损坏，耐久性较差；土体变形较大时，测斜管弯曲超过一定角度后测斜仪无法通过，导致测点失效。

(3)测斜管内落入杂物或管内渗入大量淤泥，测斜仪无法通过，亦会导致测点失效。

(4)地下水位监测所用的传统方式需要埋设专门的水位监测管，无法实现实时和自动化的监测，并且需要人工进行测量读数，大大的浪费了人力和财力。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及方法，以自动实时的完成对深层水平位移与地下水位数据收集和处理分析，在掌握深层水平位移与地下水位变化的同时，通过与警报系统预设值的比对，完成对深层水平位移与地下水位的预警。

技术方案：本发明基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，包括分布式光纤应变传感器、自加热光纤温度传感器、测斜管、空心钢管、光纤数据采集仪、太阳能电池板、光纤接续盒、变压器、窄线宽可调谐激光器、耦合器、云平台、监测结果处理与显示系统和预警系统；

测斜管由多个测斜管单元依次拼接而成，测斜管单元侧壁对称开设有多个U型凹槽；测斜管上开设有多个进水孔，进水孔上设有滤网和土工布；分布式光纤应变传感器对称布置在测斜管凹槽内；

空心钢管通过夹具固定在测斜管内侧，空心钢管与测斜管轴线平行；自加热光纤温度传感器缠绕并固定在空心钢管表面；

窄线宽可调谐激光器作为光源发出调谐光通过耦合器传入光纤数据采集仪；

光纤数据采集仪将数据采集后通过云平台传输至监测结果处理与显示系统，监测结果处理与显示系统记录光纤传感器的波长数据，完成对观测数据的降噪及数据平滑处理，作出水平位移沿测斜管体的分布曲线，得到不同深度下温度变化速率，并将记录的峰值与设定的预警值对比，以判断是否需要预警；

监测结果处理与显示系统输出端与预警系统连接，预警系统包括电容、晶体三极管和指示灯；监测结果处理与显示系统输出的交流信号电压由输入端输入，经过电容耦合至晶体三极管的基极进行放大，放大后的交流信号由晶体三极管集电极输出，通过电容耦合至指示灯发生闪烁。

自加热光纤温度传感器包括纤芯、加热丝、填充油膏、包层、涂覆层和光纤护套；纤芯与加热丝位于填充油膏内，纤芯与加热丝由包层包裹，光纤护套与包层之间为涂覆层。

光纤接续盒包括盒体、光纤固定装置和光纤安放装置；分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器通过蛇形软管固定在盒体内，分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器通过光纤固定装置和光纤安放装置固定，自加热光纤温度传感器中加热丝与加热导线连接后，接入可调变压器。

测斜管外露部分采用金属护筒进行保护；金属护筒包括内护筒和外护筒，内外护筒之间采用海绵缓冲垫填充。

金属护筒顶部安设有顶板，顶板上贴有测点编号，金属护筒外壁粘贴有反光材料。

滤网为聚乙烯土工格栅，土工布为透水无纺布。

本发明基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统的监测预警方法，包括以下步骤：

(1)将多节测斜管单元依次拼接成测斜管，在测斜管单元的连接处切出两条对称的凹槽，该凹槽位置与测斜管单元的凹槽对应；在拼接成的测斜管底部切出U型凹槽；

(2)将分布式光纤应变传感器以测斜管轴线为中心先对称布置在凹槽内，并通过光纤固定器分段固定，使用环氧树脂胶对光纤分区段胶粘；

(3)在测斜管的最后一节开设两排进水孔，进水孔避开凹槽，进水孔上设置有滤网土工布；

(4)将自加热光纤温度传感器紧贴空心钢管表面缠绕，并采用光纤固定器固定，预留设定的长度，然后用夹具将空心钢管平行固定在测斜管内测；

(5)采用工程钻探机在围护结构周围土体钻孔，钻孔深度大于安装深度；

(6)将布设有分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器的测斜管下放到围护结构周围的土体钻孔内，转动测斜管调正方向，使测斜管前后对称粘贴有分布式光纤应变传感器的面与土体主滑方向平行，然后用砂或细土进行回填；

(7)对测斜管外露部分采用金属护筒进行保护，在外护筒顶部安设与其开口端匹配的顶板，并贴上测点编号；

(8)剥开自加热光纤温度传感器外层的光纤护套，将加热丝与加热导线连接，并将导线连接到变压器；将预留有长度的光纤与跳线熔接，用热膨胀管保护，连接至光纤数据采集仪，光纤数据采集仪将数据采集后传输至监测结果处理与显示系统；

(9)监测结果处理与显示系统对光数据接收，完成对观测数据的处理，捕捉并记录峰值，并将峰值与预先设定的预警值进行对比，以判断是否需要预警。

步骤(2)中，固定分布式光纤应变传感器时，对分布式光纤应变传感器进行预拉伸。

步骤(5)中，钻头钻到预定位置后，直至泥浆水变为清混水后再提钻。

步骤(7)中，金属护筒露出地面部分的外壁贴有反光材料。

工作原理：本发明将光频域反射原理(Optical Frequency DomainReflectometry,OFDR)的分布式光纤传感技术应用到深层水平位移与地下水位监测中，并设计了相应的数据处理分析系统，可以准确实时地监测深层水平位移与地下水位动态变化信息。OFDR技术作为分布式光纤传感技术的一种，具有灵敏度与空间分辨率高、测量精度大、抗电磁干扰和辐射与环境适应能力强的优点。其应变分辨率达到了1.0με，温度分辨率达到0.12℃，测量范围达到±30000με和-270～900℃，该技术基于脉冲雷达的调频连续波技术，两束相干光入射入光纤后，在接收端探测光和本征光发生干涉，如果测试环境参数变化引起光信号相位发生变化或调制，则信号探测端检测信号将发生变化，对干涉光进行信号的解调就能得到待测光纤的具体信息。在监测系统中，将分布式光纤应变传感器布设在测斜管体上，测斜管体与光纤会发生协调变形，这就能实现对深层水平位移的监测；自加热光纤温度传感器中的加热丝能够在恒定电流作用下以额定功率产生热量，光纤的温度发生变化，一定的时间内，空气中光纤温度变化的速率远大于水下，所以通过自加热光纤温度传感器测量光纤加热后不同深度的温度值变化速率可以用来判定水位，实现对地下水位的监测。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明将OFDR技术引入深层水平位移与地下水位监测中，自动实时的完成对深层水平位移与地下水位数据收集和处理分析，将获得的深层水平位移和地下水位变化信息以图表形式呈现出来，既可以自动测量深层水平位移，且直接可以得到测斜管体的位移分布曲线，又可以监测地下水位变化，不需再单独安装水位管，了解深层水平位移和地下水位的变化情况，预防因深层水平位移过大而导致结构失稳破坏；节省了人力、物力，为深层水平位移与地下水位监测提供新的监测手段。

(2)本发明自动实时的完成对深层水平位移与地下水位数据收集和处理分析，在掌握深层水平位移与地下水位变化的同时，通过与警报系统预设值的比对，完成对深层水平位移与地下水位的预警。

(3)本发明还具有灵敏度高、抗干扰、适应性强、安全性好、使用寿命长的特点，可提前预警，以预防因深层水平位移过大或地下水位变化过大而导致结构失稳破坏，能够进行深层水平位移与地下水位长期、有效的监测，同时具有远距离实时传输及分布式测量的独特优势。

附图说明

图1为监测系统结构示意图；

图2为可用作水位管的测斜管结构示意图；

图3为光纤传感器布设图；

图4为金属护筒结构示意图；

图5为光纤接续盒结构示意图；

图6为自制预警系统结构示意图；

图7为自加热光纤温度传感器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明监测预警系统包括分布式光纤应变传感器5、自加热光纤温度传感器6、测斜管1、不锈钢空心钢管7、滤网和土工布4、金属护筒9、光纤数据采集仪23、光纤接续盒15、可调变压器21、窄线宽可调谐激光器25、云平台26、监测结果处理与显示系统27和自制预警系统28。

本发明根据深层水平位移与地下水位两种不同的监测项目，对分布式光纤应变传感器5和自加热光纤温度传感器6采用两种不同的光纤布设方法：其中，自加热光纤温度传感器6紧贴不锈钢空心钢管7表面缠绕，用于测量光纤加热后不同深度的温度变化速率，此铺设方式的精度高于直接铺设方式；分布式光纤应变传感器5以测斜管1轴线为中心线对称布置，使分布式光纤应变传感器呈U型布设在测斜管外壁上，用于测量测斜管的变形。

在太阳能电池板22的持续供电下，光纤数据采集仪23实时获取观测数据，将获得的深层水平位移和地下水位变化信息以图表形式呈现出来，进行光纤数据的实时采集传输；同时数据采集仪将数据传输至监测结果处理与显示系统27，由监测结果处理与显示系统27完成数据处理并显示。

光纤数据采集仪23将数据采集后通过云平台26传输至监测结果处理与显示系统27，监测结果处理与显示系统记录光纤传感器的波长数据，完成对观测数据的降噪及数据平滑处理，作出水平位移沿测斜管体的分布曲线，得到不同深度下温度变化速率，并将记录的峰值与设定的预警值对比，以判断是否需要预警；监测结果处理与显示系统27输出端与预警系统28连接，输出的交流信号电压由输入端输入，经过电容29耦合至晶体三极管30的基极进行放大，放大后的交流信号由晶体三极管30集电极输出，通过电容29耦合至指示灯31发生闪烁。

如图2所示，本发明的测斜管与常规测斜管不同，本发明的测斜管最后一节开设有两排进水孔3，并在进水孔上设置有滤网和土工布4。滤网与土工布4中的滤网为聚乙烯土工格栅，土工布为透水无纺布，可有效防止泥沙进入测斜管内。

如图3所示，分布式光纤应变传感器5以测斜管1轴线为中心线对称布置在侧壁凹槽内，并用光纤固定器2固定的方式将光纤分段固定，使用环氧树脂胶对光纤进行分区段胶粘，自加热光纤温度传感器6紧密缠绕在不锈钢空心钢管表面7，并用螺栓夹具8固定的方式将钢管平行固定在测斜管内侧，最后将布设有光纤的测斜管1下放到围护结构周围的土体钻孔内，并安置保护装置。

本发明的测斜管可用作水位管，该测斜管外露部分采用金属护筒9进行保护。该保护装置如图4所示，金属护筒9包括内护筒和外护筒，在内外金属护筒之间设有海绵缓冲垫11，并在外护筒顶部安设与其开口端匹配的顶板10，以减小外力对测斜管外露部分的冲击破坏。顶板上贴有测点编号12，金属护筒外壁粘贴有反光材料13。

剥开自加热光纤温度传感器6外层的光纤护套37，将加热丝33与加热导线20连接，加热导线20与可调变压器21连接，通过可调变压器21控制加热电压，将预留一定长度的光纤与跳线19进行熔接，跳线19连接至光纤数据采集仪23，光纤数据采集仪23将数据采集后无线传输至监测结果处理与显示系统27，监测结果处理与显示系统27对光纤信号发射器发射的数据进行接收，记录光纤传感器的波长数据，完成对观测数据的降噪处理及数据平滑处理，捕捉并记录峰值，并将峰值与预先设定的预警值进行对比，以判断是否需要预警。

如图5所示，光纤接续盒15中，5为分布式光纤应变传感器，6为自加热光纤温度传感器，14为蛇形软管，16为光纤固定装置，17为光纤安放装置，18为热膨胀管，19为跳线，20为加热导线。蛇形软管14包覆在分布式光纤应变传感器与自加热光纤温度传感器外，以进行保护。光纤固定装置、光纤安放装置对光纤进行固定，分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器通过跳线19与光纤数据采集仪23连接；加热丝33与加热导线20连接后，接入可调变压器21，通过可调变压器21调节加热电压。

如图6所示，其中，29为电容，30为晶体三极管，31为指示灯；监测结果处理与显示系统输出端与该预警系统28连接，输出的交流信号电压由输入端输入，经过电容29耦合至晶体三极管30的基极进行放大，放大后的交流信号由晶体三极管30集电极输出，通过电容29耦合至指示灯31发生闪烁。

如图7所示，自加热光纤温度传感器包括纤芯32、加热丝33、填充油膏34、包层35、涂覆层36和光纤护套37；其中，纤芯与加热丝位于填充油膏内，纤芯与加热丝由包层包裹，光纤护套与包层之间为涂覆层。

本发明基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统的安装及测试方法，包括以下步骤：

(1)将测斜管1通过M4×10自攻螺钉一节一节的拼接起来，用切割机在两段测斜管的连接处切出两条凹槽，切出的凹槽应与测斜管上的凹槽对应，并且在连接好的测斜管底部切出U型的凹槽。

(2)对凹槽进行清洁，将分布式光纤应变传感器5以测斜管轴线为中心线对称布置在凹槽内，并用光纤固定器2将光纤分段固定，并预留一定的长度，以便后期与跳线19进行熔接。在固定时，应对分布式光纤应变传感器5进行预拉伸，在测斜管之间的接口处，光纤应呈现出平滑的曲线，并且在接口两侧5厘米的地方用光纤固定器2对光纤进行固定，最后使用环氧树脂胶对光纤进行分区段胶粘，对光纤的露出部分，穿入蛇形软管14进行保护。

(3)在测斜管1最后一节开设两排进水孔3，进水孔应避开光纤布设凹槽，在进水孔上设置有滤网土工布4。

(4)将自加热光纤温度传感器6缠绕在不锈钢空心钢管7表面，并预留一定的长度，光纤紧贴钢管表面缠绕，并用光纤固定器2固定，然后用夹具8将空心钢管平行固定在测斜管内侧。

(5)采用工程钻探机在围护结构周围土体进行钻孔，为使测斜管顺利地安装到位,钻孔深度需比安装深度深。另外，钻头钻到预定位置后，不立即提钻，需把泵接到清水里向下灌清水，直至泥浆水变为清混水后再提钻。

(6)将布设有分布式光纤应变传感器5和自加热光纤温度传感器6的测斜管1下放到围护结构周围的土体钻孔内，转动测斜管1调正方向，使测斜管前后粘贴有光纤的平面与土体主滑方向平行，然后用砂或细土进行回填,一边回填一边轻轻地摇动管子,使之填实为止。

(7)对测斜管外露部分采用金属护筒9进行保护，其中内护筒直径应大于测斜管直径，内外护筒之间用海绵垫11填充，在外护筒顶部安设与其开口端匹配的顶板10，并贴上测点编号12，在其露出地面部分的外壁粘贴一层反光材料13。

(8)剥开自加热光纤温度传感器6外层的光纤护套37，将加热丝33与加热导线20连接，并将导线连接到可调变压器21。将预留一定长度的光纤与跳线19进行熔接，用热膨胀管18进行保护，即将热膨胀管用硅胶固定的方式固定在光纤安放装置17上，然后连接至光纤数据采集仪23，光纤数据采集仪23将数据采集后传输至监测结果处理与显示系统27。

(9)监测结果处理与显示系统27对光数据进行接收，完成对观测数据的处理，捕捉并记录峰值，并将峰值与预先设定的预警值进行对比，以判断是否需要预警。

Claims (9)

1.一种基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：包括分布式光纤应变传感器(5)、自加热光纤温度传感器(6)、测斜管(1)、空心钢管(7)、光纤数据采集仪(23)、太阳能电池板(22)、光纤接续盒(15)、变压器(21)、窄线宽可调谐激光器(25)、耦合器(24)、云平台(26)、监测结果处理与显示系统(27)和预警系统(28)；

所述测斜管由多个测斜管单元依次拼接而成，所述测斜管单元侧壁对称开设有多个U型凹槽；所述测斜管上开设有多个进水孔(3)，所述进水孔上设有滤网和土工布；所述分布式光纤应变传感器对称布置在测斜管U型凹槽内；

所述空心钢管通过夹具固定在测斜管内侧，所述空心钢管与测斜管轴线平行；所述自加热光纤温度传感器缠绕并固定在空心钢管表面；

所述窄线宽可调谐激光器(25)作为光源发出调谐光通过耦合器(24)传入光纤数据采集仪(23)；

所述光纤数据采集仪(23)将数据采集后通过云平台(26)传输至监测结果处理与显示系统(27)，所述监测结果处理与显示系统记录光纤传感器的波长数据，完成对观测数据的降噪及数据平滑处理，作出水平位移沿测斜管体的分布曲线，通过自加热光纤温度传感器得到不同深度下温度变化速率，并将记录的峰值与设定的预警值对比，以判断是否需要预警；

所述监测结果处理与显示系统(27)输出端与预警系统(28)连接，所述预警系统包括电容(29)、晶体三极管(30)和指示灯(31)；监测结果处理与显示系统输出的交流信号电压由输入端输入，经过电容耦合至晶体三极管的基极进行放大，放大后的交流信号由晶体三极管集电极输出，通过电容耦合至指示灯发生闪烁。

2.根据权利要求1所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：所述自加热光纤温度传感器包括纤芯(32)、加热丝(33)、填充油膏(34)、包层(35)、涂覆层(36)和光纤护套(37)；所述纤芯与加热丝位于填充油膏内，纤芯与加热丝由包层(35)包裹，所述光纤护套与包层之间为涂覆层。

3.根据权利要求1所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：所述光纤接续盒包括盒体、光纤固定装置和光纤安放装置；所述分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器外露部分通过蛇形软管固定在盒体内，所述分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器通过光纤固定装置和光纤安放装置固定，所述自加热光纤温度传感器中加热丝接入可调变压器。

4.根据权利要求1所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：所述测斜管外露部分采用金属护筒(9)进行保护；所述金属护筒包括内护筒和外护筒，所述内外护筒之间采用海绵缓冲垫填充。

5.根据权利要求4所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：金属护筒顶部安设有顶板，所述顶板上贴有测点编号(12)，所述金属护筒外壁粘贴有反光材料(13)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：所述滤网为聚乙烯土工格栅，所述土工布为透水无纺布。

7.一种如权利要求1所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统的监测预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将多节测斜管单元依次拼接成测斜管，在测斜管单元的连接处切出两条对称的凹槽，该凹槽位置与测斜管单元的U型凹槽对应；在拼接成的测斜管底部切出U型凹槽；

(2)将分布式光纤应变传感器(5)以测斜管轴线为中心先对称布置在凹槽内，并通过光纤固定器(2)分段固定，使用环氧树脂胶对光纤分区段胶粘；

(3)在测斜管的最后一节开设两排进水孔(3)，所述进水孔避开凹槽，所述进水孔上设置有滤网土工布(4)；

(4)将自加热光纤温度传感器(6)紧贴空心钢管(7)表面缠绕，并采用光纤固定器(2)固定，预留设定的长度，然后用夹具(8)将空心钢管平行固定在测斜管内测；

(5)采用工程钻探机在围护结构周围土体钻孔，钻孔深度大于安装深度；

(6)将布设有分布式光纤应变传感器(5)和自加热光纤温度传感器(6)的测斜管(1)下放到围护结构周围的土体钻孔内，转动测斜管(1)调正方向，使测斜管前后对称粘贴有分布式光纤应变传感器的面与土体主滑方向平行，然后用砂或细土进行回填；

(7)对测斜管外露部分采用金属护筒(9)进行保护，在外护筒顶部安设与其开口端匹配的顶板(10)，并贴上测点编号(12)；

(8)剥开自加热光纤温度传感器(6)外层的光纤护套(37)，将加热丝(33)与加热导线(20)连接，并将导线连接到变压器(21)；将预留有长度的光纤与跳线(19)熔接，用热膨胀管(18)保护，连接至光纤数据采集仪(23)，光纤数据采集仪(23)将数据采集后传输至监测结果处理与显示系统(27)；

(9)监测结果处理与显示系统(27)对光数据接收，完成对观测数据的处理，捕捉并记录峰值，并将峰值与预先设定的预警值进行对比，以判断是否需要预警。

8.根据权利要求7所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统的监测预警方法，其特征在于：步骤(2)中，固定分布式光纤应变传感器时，对所述分布式光纤应变传感器进行预拉伸。

9.根据权利要求7所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统的监测预警方法，其特征在于：步骤(7)中，所述金属护筒露出地面部分的外壁贴有反光材料。

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