CN111141740A - 一种基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请的目的是提供一种基于低相干干涉技术的隧道裂缝监测系统及方法，系统包括宽带光源、第一光纤光缆、第二光纤光缆、第三光纤光缆、第一耦合器、第二耦合器、V型布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器、光学移动扫描平台、末端切平的光纤、信号采集和处理系统。通过相邻两点固定的受拉光纤光缆测量波长的变化，得出位移的变化，进而反映出隧道内管片裂缝的发展情况，具有监测精度高、监测成本低以及抗电磁干扰强的优点，且光纤传感器适宜于隧道的长期的监测，可应用到工程实际情况之中。

Description

一种基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统及方法

技术领域

本申请涉及隧道中病害监测技术领域，尤其涉及一种基于低相干干涉(Low-coherence Interferometry,LCI)技术的高精度隧道裂缝监测系统及方法。

背景技术

随着时代的发展，光纤传感技术作为一项新兴监测技术，近十几年来，已逐步地应用于隧道裂缝预测、结构沉降、管片错台等方面，而且发展迅速。

现有专利提出了一些基于不同类型光纤传感器技术的裂缝监测方法，如现已经公开的CN108709856A所述的混凝土结构裂缝监测预警系统及预警方法，具有监测过程自动化程度及智能化程度更高等优点；专利公开号CN109682308A所述的基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置及监测方法利用了低成本的塑料光纤，具有精度高，可实现实时在线监测和远程遥测等优良特性。但其主要利用的技术是基于光时域反射的分布式传感器。

专利公开号CN109556524A公开的基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测系统，该系统在裂缝区设置光纤光栅位移监测杆，通过不同的布置方式并配合相应算法可以确定裂缝变形的相对位移或绝对位移，具有精度高、抗干扰能力强等优点。但是该专利所基于的技术是光纤光栅传感技术。

专利公开号CN106525860A公开的一种基于布里渊的传感器进行混凝土监测的方法，以及专利公开号CN104729424A公开的一种能监测基层裂缝的分布式传感光纤装置及其监测方法中，虽然都易于操作、可全分布监测应变情况，但都需要将光纤埋入待测体中，而且监测过程中要将沿着光纤的温度和应力分布同时记录下来，计算时要考虑温度的影响，增加了计算产生的误差性，这两个专利所基于的技术同为布里渊光时域分布式光纤传感(BOTDA)方法。

另外一种基于光学低相干干涉技术进行精确度达到亚微米量级的玻璃亚表面缺陷检测装置(专利公开号CN105842257A)，该种光纤传感器测量系统具有分辨率高、灵敏度强、实时性好等优点。但是其主要缺陷在于参考臂和样品臂部分包括准直透镜、45°反射镜等进行光路的改变以达到精确结果，对装置的严格要求大大限制了该系统在实际工程中的应用。

我国幅员辽阔，各类自然条件差异很大，同时运营期间的隧道又受前期设计与施工技术条件的限制等方面的原因，隧道病害问题日益突出，隧道管片裂缝问题就是其中之一。因此，对隧道管片裂缝进行监测就有了很强的紧迫性和必要性。近年来，基于不同技术的隧道中裂缝监测系统正在快速发展，引入光纤技术对隧道中裂缝进行监测就是其中的一种。目前对隧道管片裂缝进行监测的方法中尚未发现基于低相干干涉型光纤传感技术的方法。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统及方法。

根据本申请的一个方面，提供了一种基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统，该系统包括：宽带光源、第一光纤光缆、第二光纤光缆、第三光纤光缆、第一耦合器、第二耦合器、V型布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器、光学移动扫描平台、末端切平的光纤、信号采集和处理系统，其中LCI光纤传感器的信号臂经第一光纤光缆与宽带光源连接，LCI光纤传感器的参考臂经第三光纤光缆与信号采集和处理系统连接，LCI光纤传感器的信号臂上设置有第一耦合器，LCI光纤传感器的参考臂上设置有第二耦合器，第一耦合器与第二耦合器之间经第二光纤光缆连接，第二耦合器与末端切平的光纤连接，且LCI光纤传感器的参考臂与光学移动扫描平台上的反光镜相配合；

宽带光源发出的光沿着第一光纤光缆经过第一耦合器后到达LCI光纤传感器，光入射到LCI光纤传感器后反射，经过第一耦合器后到达第二耦合器，然后分成两路，这两路光分别被末端切平的光纤以及光学移动平台上的反光镜反射，两路反射回的光在第二耦合器汇合并发生干涉，产生的低相干干涉信号由信号采集和处理系统接收。

进一步的，所述V型布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器与水平方向夹角呈一固定夹角，并沿着隧道监测方向循环前进。

进一步的，所述V型布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器固定于隧道内壁上，且被固定点分为若干段，相邻两固定点间距小于等于300mm，同时相邻两点固定的LCI光纤传感器受拉。

进一步的，位置处于最底端的固定点被定义为定位点，定位点与隧道管片交界处垂直距离为一固定值，且都处于隧道管片交界处的同一侧。

进一步的，LCI光纤传感器的信号臂采用铠装光纤光缆，由内部的裸光纤及外层包裹的PVC紧包层组成。

进一步的，所述信号臂包括光纤光缆、LCI光纤传感器两个部分，通过LCI光纤传感器的长度的变化，导致两端反射率不同，LCI光纤传感器的拉压变形通过信号臂内部光程变化来反映出隧道裂缝变化。

根据本申请的另一个方面，提供了一种基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测方法，该方法采用前述的基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统，方法包括：

步骤1：确定定位点的位置：垂直于隧道管片交界处且距离为固定值，且都处于隧道管片交界处的同一侧，而且所有的定位点全都位于同一水平面上；

步骤2：按照最短距离原则连接相近的两个定位点，形成“V”字形线路，线路中间布置若干个固定点，同时对每相邻两点固定的LCI光纤传感器施加微小拉力，并使线路紧贴隧道管片，按照上述过程对待测区域依次循环布置；

步骤3：将LCI光纤传感器连入该系统中；

步骤4：对低相干干涉光纤传感器进行信号测量，对不同位置的LCI光纤传感器进行扫描，等待此时干涉信号光谱以及光程差解调结果趋于稳定，记录光程差结果；

步骤5：利用所得到的光程差结果计算光纤传感器因隧道裂缝产生的应变变化量以及计算隧道裂缝变化值。

进一步的，其中步骤5中利用所得到的光程差结果计算光纤传感器因隧道裂缝产生的应变变化量的方法为：

LCI光纤传感器和参考臂的光程差Δy由受拉变形△S(ε)及相应的纤芯的折射率△m(ε)变化产生，如以下公式所示：

△y＝m△S(ε)+S△m(ε) (1)

其中ε为应变变形，S代表光纤长度，m代表纤芯指数，

由LCI光纤传感器应变变化导致的光纤光程变化可以由下面的公式表示：

ΔS(ε)＝Sε (2)

由LCI光纤传感器应变变化导致的折射率的变化分别由下面的公式表示：

其中μ为泊松比，q₁₁和q₁₂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：

标准的单模光纤的详细参数如下：q₁₁＝0.12，q₁₂＝0.27，μ＝0.15，m＝1.46，

因此得到光程差和应变的关系如下所示：

Δy＝1.19Sε (5)。

进一步的，其中步骤5中，利用所得到的光程差结果计算隧道裂缝变化值△r的方法为：

设在管片两侧固定点之间的水平距离为n，LCI光纤传感器原长为S，故拉长后的长度为S(1+ε)，变形前后a的值不变，其值为：

a＝Ssinβ (6)

这时变形后的LCI光纤传感器通过辅助线可以形成一个直角三角形，两条直角边长度分别为a和b，这时b的可以求得为：

而b＝n+2Δr (8)

将公式(5)、(6)、(7)、(8)合并后可以得到以下光程差与裂缝之间关系的公式：

即可利用光程差Δy计算隧道内两管片之间被测区域裂缝变化值△r。

与现有技术相比，本申请基于迈克尔逊低相干干涉技术进行设计，通过相邻两点固定的受拉光纤光缆测量波长的变化，得出位移的变化，进而反映出隧道内管片裂缝的发展情况，具有监测精度高、监测成本低以及抗电磁干扰强的优点，且光纤传感器适宜于隧道的长期的监测，可应用到工程实际情况之中。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本申请一个实施例的隧道裂缝监测系统透视图；

图2示出根据本申请一个实施例的LCI光纤传感器信号臂的截面图；

图3示出根据本申请一个实施例的LCI光纤传感器在隧道内布置正视图；

图4示出根据本申请一个实施例的LCI光纤传感器在隧道内布置俯视图；

图5示出根据本申请一个实施例的计算LCI光纤传感器应变与裂缝变化之间关系的示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件，包括：

宽带光源1、信号采集和处理系统2、第一耦合器3、第二耦合器4、第二光纤光缆5、LCI光纤传感器6、信号臂7、末端切平的光纤8、反光镜9、光学移动扫描平台10、参考臂11、隧道管片交界处12、PVC紧包层13、裸光纤14、隧道管片15、环氧树脂胶16、第一光纤光缆17、第二光纤光缆18。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述。

图1示出了隧道裂缝监测系统透视图。

如图1所示，隧道裂缝监测系统包括宽带光源1、信号采集和处理系统2、第一耦合器3、第二耦合器4、第三光纤光缆5、LCI光纤传感器6、末端切平的光纤8、反光镜9、光学移动扫描平台10，其中LCI光纤传感器6“V”型布置，且其还包括信号臂7、参考臂11。

LCI光纤传感器6的信号臂7经第一光纤光缆17与宽带光源1连接，LCI光纤传感器6的参考臂11经第三光纤光缆18与信号采集和处理系统2连接，LCI光纤传感器6的信号臂7上设置有第一耦合器3，LCI光纤传感器6的参考臂11上设置有第二耦合器4，第一耦合器3与第二耦合器4之间经第二光纤光缆5连接，第二耦合器4与末端切平的光纤8连接，且LCI光纤传感器6的参考臂11与光学移动扫描平台10上的反光镜9相配合。

宽带光源1发出的光沿着第一光纤光缆17经过第一耦合器3后到达LCI光纤传感器6，光入射到LCI光纤传感器6后反射，经过第一耦合器3后到达第二耦合器4，然后分成两路，这两路光分别被末端切平的光纤8以及光学移动平台10上的反光镜9反射，两路反射回的光在第二耦合器4汇合并发生干涉，产生的低相干干涉信号由信号采集和处理系统2接收。

一些实施例中，V型布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器与水平方向夹角呈一固定夹角，并沿着隧道监测方向循环前进。

一些实施例中，V型布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器固定于隧道内壁上，且被固定点分为若干段，相邻两固定点间距小于等于300mm，同时相邻两点固定的LCI光纤传感器受拉。

一些实施例中，位置处于最底端的固定点被定义为定位点，定位点与隧道管片交界处垂直距离为一固定值，且都处于隧道管片交界处的同一侧。

一些实施例中，LCI光纤传感器的信号臂采用铠装光纤光缆，由内部的裸光纤及外层包裹的PVC紧包层组成。

一些实施例中，信号臂包括光纤光缆、LCI光纤传感器两个部分，通过LCI光纤传感器的长度的变化，导致两端反射率不同，LCI光纤传感器的拉压变形通过信号臂内部光程变化来反映出隧道裂缝变化。

具体的，如图3所示，利用环氧树脂胶16将LCI光纤传感器6粘贴于隧道管片上，采取定点粘着的固定方式将LCI光纤传感器6分为若干段，在隧道内壁上呈“V”型循环布置，LCI光纤传感器与水平方向夹角为60°，并沿着隧道监测方向循环前进，相邻两点间距为300mm，同时相邻两点固定的LCI光纤传感器6受拉，并应当紧贴隧道管片，在裂缝较严重的区域，固定点可以视情况增加；令LCI光纤传感器的信号臂7连接光纤光缆，进而与宽带光源1连接；LCI光纤传感器的参考臂11连接光纤光缆，最后与信号采集和处理系统2相连接；LCI光纤传感器的参考臂11与光学移动扫描平台10上的反光镜9相配合，LCI的信号臂7采用铠装光纤光缆，铠装光纤光缆由内部的裸光纤14及外层包裹的PVC紧包层13(直径1.8mm)组成，如图2所示。

宽带光源1发出的光顺着光纤光缆经过在其上的第一耦合器3后到达布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器6，光入射到LCI光纤传感器6后会沿着原来光路进行反射，经过第一耦合器3后到达第二耦合器4，然后被分成两路，这两路光分别被末端切平的光纤8以及光学移动平台10上的反光镜9沿着原来光路进行反射，当LCI光纤传感器6和参考臂11反射回的光在第二耦合器4汇合并发生干涉，其过程产生低相干干涉信号由信号采集和处理系统2接收。光学移动平台上的反光镜的移动可以引起参考臂的光程变化，进而对两臂的光程差进行改变。在干涉仪的参考臂和信号臂之间的光程差小于光源的相干长度的情况下，便可以使这两束光产生干涉并通过信号接收处理系统得到低相干的相干干涉图样。

LCI光纤传感器的信号臂包括光纤光缆5、LCI光纤传感器6两个部分。通过LCI光纤传感器6的长度的变化，导致两端反射率不同，LCI光纤传感器的拉压变形通过信号臂7内部光程变化来反映出隧道裂缝变化。

隧道裂缝监测方法如下5个步骤：

步骤1：确定定位点的位置：垂直于隧道管片交界处且距离为固定值，且都处于隧道管片交界处的同一侧，而且所有的定位点全都位于同一水平面上；

步骤2：按照最短距离原则连接相近的两个定位点，形成“V”字形线路，线路中间布置若干个固定点，同时对每相邻两点固定的LCI光纤传感器施加微小拉力，并使线路紧贴隧道管片，按照上述过程对待测区域依次循环布置；

步骤3：将LCI光纤传感器连入该系统中；

步骤4：对低相干干涉光纤传感器进行信号测量，对不同位置的LCI光纤传感器进行扫描，等待此时干涉信号光谱以及光程差解调结果趋于稳定，记录光程差结果；

步骤5：利用所得到的光程差结果计算光纤传感器因隧道裂缝产生的应变变化量以及计算隧道裂缝变化值。

在该监测过程中，应当注意避免较大的干扰，以免引起光纤的不稳定，影响实监测结果。

当隧道内裂缝变形时，两个管片之间的LCI光纤传感器6会发生受拉变形。LCI光纤传感器6内部的光路波长会发生相应的变化，如果LCI光纤传感器6和参考臂11反射回去的光的光程差小于最小相干光程S_c时，这时会发生光的干涉。在此条件下LCI光纤传感器6的会有受拉变形ΔS(ε)及相应的纤芯的折射率Δm(ε)变化产生，进而可以求得LCI光纤传感器6和参考臂11的光程差Δy，计算公式如下所示：

△y＝m△S(ε)+S△m(ε) (1)

式中：ε为应变变形，S代表光纤长度，m代表纤芯指数。

由LCI光纤传感器应变变化导致的光纤光程变化可以由下面的公式表示：

ΔS(ε)＝Sε (2)

由LCI光纤传感器应变变化导致的折射率的变化分别由下面的公式表示：

其中μ为泊松比，q₁₁和q₁₂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：

标准的单模光纤的详细参数如下：q₁₁＝0.12，q₁₂＝0.27，μ＝0.15，m＝1.46。

因此得到光程差和应变的关系如下所示：

Δy＝1.19Sε (5)

设在管片两侧固定点之间的水平距离为n，LCI光纤传感器原长为S，故拉长后的长度为S(1+ε)，变形前后a的值不变，其值为：

a＝Ssinβ (6)

这时变形后的LCI光纤传感器通过辅助线可以形成一个直角三角形，两条直角边长度分别为a和b，这时b的可以求得为：

这时，由图4和5可以看出：

b＝n+2Δr (8)

将公式(5)、(6)、(7)、(8)合并后可以得到以下光程差与裂缝之间关系的公式：

即可利用光程差Δy计算隧道内两管片之间被测区域裂缝变化的平均值，进而可以得出两管片之间裂缝发展情况。

同理，管片中裂缝的发展情况也可以通过上述计算过程进行估计，进而得出管片中裂缝发展情况。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (9)

1.一种基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统，其特征在于，包括：宽带光源、第一光纤光缆、第二光纤光缆、第三光纤光缆、第一耦合器、第二耦合器、V型布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器、光学移动扫描平台、末端切平的光纤、信号采集和处理系统，其中LCI光纤传感器的信号臂经第一光纤光缆与宽带光源连接，LCI光纤传感器的参考臂经第三光纤光缆与信号采集和处理系统连接，LCI光纤传感器的信号臂上设置有第一耦合器，LCI光纤传感器的参考臂上设置有第二耦合器，第一耦合器与第二耦合器之间经第二光纤光缆连接，第二耦合器与末端切平的光纤连接，且LCI光纤传感器的参考臂与光学移动扫描平台上的反光镜相配合；

宽带光源发出的光沿着第一光纤光缆经过第一耦合器后到达LCI光纤传感器，光入射到LCI光纤传感器后反射，经过第一耦合器后到达第二耦合器，然后分成两路，这两路光分别被末端切平的光纤以及光学移动平台上的反光镜反射，两路反射回的光在第二耦合器汇合并发生干涉，产生的低相干干涉信号由信号采集和处理系统接收。

2.根据权利要求1所述的基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统，其中，所述V型布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器与水平方向夹角呈一固定夹角，并沿着隧道监测方向循环前进。

3.根据权利要求1或2所述的基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统，其中，所述V型布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器固定于隧道内壁上，且被固定点分为若干段，相邻两固定点间距小于等于300mm，同时相邻两点固定的LCI光纤传感器受拉。

4.根据权利要求3所述的基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统，其中，位置处于最底端的固定点被定义为定位点，定位点与隧道管片交界处垂直距离为一固定值，且都处于隧道管片交界处的同一侧。

5.根据权利要求1所述的基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统，其中，LCI光纤传感器的信号臂采用铠装光纤光缆，由内部的裸光纤及外层包裹的PVC紧包层组成。

6.根据权利要求5所述的基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统，其中，所述信号臂包括光纤光缆、LCI光纤传感器两个部分，通过LCI光纤传感器的长度的变化，导致两端反射率不同，LCI光纤传感器的拉压变形通过信号臂内部光程变化来反映出隧道裂缝变化。

7.一种基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测方法，采用如权利要求1-6任一项所述的基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测系统，其特征在于，方法包括：

步骤1：确定定位点的位置：垂直于隧道管片交界处且距离为固定值，且都处于隧道管片交界处的同一侧，而且所有的定位点全都位于同一水平面上；

步骤2：按照最短距离原则连接相近的两个定位点，形成“V”字形线路，线路中间布置若干个固定点，同时对每相邻两点固定的LCI光纤传感器施加微小拉力，并使线路紧贴隧道管片，按照上述过程对待测区域依次循环布置；

步骤3：将LCI光纤传感器连入该系统中；

步骤4：对低相干干涉光纤传感器进行信号测量，对不同位置的LCI光纤传感器进行扫描，等待此时干涉信号光谱以及光程差解调结果趋于稳定，记录光程差结果；

步骤5：利用所得到的光程差结果计算光纤传感器因隧道裂缝产生的应变变化量以及计算隧道裂缝变化值。

8.根据权利要求7所述的一种基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测方法，其中，利用所得到的光程差结果计算光纤传感器因隧道裂缝产生的应变变化量的方法为：

LCI光纤传感器和参考臂的光程差Δy由受拉变形△S(ε)及相应的纤芯的折射率△m(ε)变化产生，如以下公式所示：

△y＝m△S(ε)+S△m(ε) (1)

其中ε为应变变形，S代表光纤长度，m代表纤芯指数，

由LCI光纤传感器应变变化导致的光纤光程变化可以由下面的公式表示：

ΔS(ε)＝Sε (2)

由LCI光纤传感器应变变化导致的折射率的变化分别由下面的公式表示：

其中μ为泊松比，q₁₁和q₁₂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：

标准的单模光纤的详细参数如下：q₁₁＝0.12，q₁₂＝0.27，μ＝0.15，m＝1.46，

因此得到光程差和应变的关系如下所示：

Δy＝1.19Sε (5)。

9.根据权利要求8所述的一种基于低相干干涉技术的高精度隧道裂缝监测方法，其中，利用所得到的光程差结果计算隧道裂缝变化值△r的方法为：

设在管片两侧固定点之间的水平距离为n，LCI光纤传感器原长为S，故拉长后的长度为S(1+ε)，变形前后a的值不变，其值为：

a＝S sinβ (6)

这时变形后的LCI光纤传感器通过辅助线可以形成一个直角三角形，两条直角边长度分别为a和b，这时b的可以求得为：

而b＝n+2Δr (8)

将公式(5)、(6)、(7)、(8)合并后可以得到以下光程差与裂缝之间关系的公式：

即可利用光程差Δy计算隧道内两管片之间被测区域裂缝变化值△r。

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