CN111156916A - 一种分布式光纤应变测量系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种分布式光纤应变测量系统，包括B0TDA、测斜管、光缆和数据分析处理装置；其中，BOTDA包括解调设备和传感光纤，解调设备发出泵浦光和探测光，两路光分别从光纤的两端注入传感光纤中；光缆直接布设在测斜管表面，且光缆在测斜管表面采用U形布设的方式布设；光缆上设有跳线，跳线的数据采集头接入BOTDA；BOTDA与数据分析处理装置通讯连接；本发明还提出了一种分布式光纤应变测量系统的使用方法。本发明将分布式光纤技术与定制测斜管结合，基于BOTDA技术的分布式光纤测斜管具有施工简单、监测方便、测量精度高的优点，能很好地满足深层水平位移监测的需要。
Description
技术领域
本发明涉及工程测量技术领域，尤其涉及一种分布式光纤应变测量系统及其使用方法。
背景技术
随着我国经济社会的快速发展，基础设施工程的建设规模不断扩大，在基础设施建设的过程中常常遇到一系列安全问题，如结构受力开裂、弯曲变形和变形破坏等，为预防工程建设中发生重大灾害，需要釆用合理、有效的测试手段监控工程建设全过程，目前，深层水平位移主要采用测斜仪和测斜管联合测量；滑动式测斜仪是通过测量测斜管轴线与铅垂线之间的夹角变化量来监测工程边坡及建筑物侧向位移的高精度仪器，可以确定天然和人工开挖边坡滑动剪切面的位置和位移方向；
测斜管通常安装在穿过不稳定土层至下部稳定地层的垂直钻孔内。使用数字垂直活动测斜仪探头，控制电缆，滑轮装置和读数仪来观测测斜管的变形。第一次观测可以建立起测斜管位移的初始断面。其后的观测会显示当地面发生运动时断面位移的变化。观测时，探头从测斜管底部向顶部移动，在半米间距处暂停并进行测量倾斜工作。探头的倾斜度由两支受力平衡的伺服加速度计测量所得。一支加速度计测量测斜管凹槽纵向位置，即测斜仪探头上测轮所在平面的倾斜度。另一支加速度计测量垂直于测轮平面的倾斜度。倾斜度可以转换成侧向位移。对比当前与初始的观测数据，可以确定侧向偏移的变化量，显示出地层所发生的运动位移。绘制偏移的变化量可以得到一个高分辨率的位移断面图。此断面图有助于确定地面运动位移的大小，深度，方向和速率；
测斜仪的工作原理如下：当测斜探头在测斜管内自下而上逐段滑动测量时，探头内的传感器敏感地反映出测斜管在每一深度段L处的倾斜角度变化，进而根据倾斜角求出不同高程处的水平位移增量，即di＝Lsinθi，由测斜管底部测点开始逐段累加，可得任一高程处的水平位移，即
式中：di为第i测量段的水平位移增量；θi为第i测量段管轴线与铅垂线的夹角；Sj为测斜管底端固定点(i＝0)以上i＝j点处的位移；在测斜仪观测时，为了消除和减少仪器的零漂及装配误差等，应在位移的正方向及测头调转180°以后的反方向各测读一次数据，取正反两方向测读数据的代数平均值作为倾角测值；
现在的测斜仪测斜系统还存在诸多局限于不足：数据采集易受外界影响，人为误差较大；为点式测量，数据不全面，难以反映变形特点；测点存活率低，土体变形过大、测斜管弯折、管内进入障碍物等都会导致无法测量；测量工作受天气状况及现场环境制约，恶劣的天气和现场环境都会阻碍监测工作的正常进行；测量效率低，人为成本高，自动化程度较低，测斜仪探头的提升和数据的采集都需要专人负责，且每提升一定高度后需等数据稳定再进行读数，工作量较大；对一些野外的监测对象，由于客观条件的限制，长期现场作业不利于保证人身安全；对于偏远地区的监测现象，反复的长途运输变相增加监测成本。以上说明传统测斜仪测量都存在稳定性不高，安全性不够好，实时性不够高，成本比较高等问题。
发明内容
(一)发明目的
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种分布式光纤应变测量系统及其使用方法，将分布式光纤技术与定制测斜管结合，基于BOTDA技术的分布式光纤测斜管具有施工简单、监测方便、测量精度高的优点，能很好地满足深层水平位移监测的需要。
(二)技术方案
本发明提出了一种分布式光纤应变测量系统，包括B0TDA、测斜管、光缆和数据分析处理装置；
其中，BOTDA包括解调设备和传感光纤，解调设备发出泵浦光和探测光，两路光分别从光纤的两端注入传感光纤中；光缆直接布设在测斜管表面，且光缆在测斜管表面采用U形布设的方式布设；光缆上设有跳线，跳线的数据采集头接入BOTDA；BOTDA与数据分析处理装置通讯连接；
测斜管在弯曲时会产生轴向应变，故计算方式采用倾角法，即将轴向应变换算成倾角，再通过倾角换算成水平位移；测斜管上布设中心对称的光纤传感器a和光纤传感器b，由光纤传感器a和光纤传感器b测得的应变和平均应变ε、倾角α及垂直轴向的水平位移s的计算公式来确定唯一的测斜管挠度曲线分布，并消除中性轴与几何对称轴不一致的影响，具体的换算公式如下：
刚体形变测量和计算：将测斜管分为测量系统最小分辨率对应的小段(本系统对应的为0.04米)，则可以得到
θ1＝L0(με1下-με1上)/D1
...
θn＝L0(μεn下-μεn上)/Dn
其中Dn为对称监测光缆之间的距离，
φ1、φn是各段与水平的夹角，由上式可得：
φ1＝θ1/2
...
φn＝φn-1+θn/2+θn-1/2
知道φ1、φn的值，马上可得到：
x1＝L0cosφ1
y1＝L0 sinφ1
...
xn＝xn-1+L0cosφn
yn＝yn-1+L0 sinφn
最终得到整个刚体在受到压力情况下的位置变化；
非刚体形变测量和计算：刚体到半钢体甚至非刚体的变化需要对上述计算进行必要修正，刚体与非刚体的区别应该是刚体在某处发生形变则刚体整体都会发生变化，非刚体则根据刚性近端、远端形变很小甚至不变化；由此在上述计算中根据近端变形的倾斜角并加入相关系数，相邻段相关系数最高，次相邻段相关系数减小，依次类推可得出各段的形变，根据计算当相关系数为x时，计算得到的数据和实际数据比较接近；
φ1＝θ1/2
...
φn＝xφn-1+θn/2+θn-1/2
其中角度的计算加入了相关系数，变形位置技术如下：
x1＝L0cosφ1
y1＝L0 sinφ1
...
xn＝xn-1+L0cosφn
yn＝yn-1+L0 sinφn
最终得到整个测斜管受到压力情况下的位置变化。
优选的，光缆封装的施工工艺如下：
定制测斜管并清理槽口中的杂物与灰尘，便于光纤与测斜管充分贴合；根据测斜管长度进行光纤拉线，U形的两端根据需要预留一定的长度，方便后期光纤的连接和数据采集；
将光缆沿槽线铺设，铺设时将光纤拉直，使光纤有一定的预应力，提高光纤对应变的敏感性，用胶带临时固定在测斜管表面；
进行黏结剂的调配和涂抹，黏结剂可选用环氧树脂或玻璃钢胶，涂抹胶水之前应固定测斜管两端，防止在胶水涂抹和凝固过程中发生晃动，影响黏结强度，涂抹时应注意胶水的均匀分布，测斜管两侧依次涂抹，待一侧胶水完全凝固后再进行另一侧的涂抹；
在测斜管底端和连接处进行加固和密封保护，以增强测斜管连接处的强度，并防止泥浆进入堵塞测斜管，影响测斜仪探头进入；
在下放测斜管之前将预留的光纤盘起，防止下放过程中造成光纤损坏，测斜管连接长度过长的情况下要注意防止测斜管的折断；
测斜管填土加固完成后要采取措施对测斜管端头及预留光纤进行保护，保证后期监测工作的。
优选的，当泵浦光和探测光的频率差落在布里渊光谱内，光纤中产生受激布里渊效应，能量从泵浦光向探测光发生转移，使探测光受到增益；泵浦光是脉冲调制的，类似时域反射原理，背向散射的探测光的时域分布反映出光纤各位置点所受布里渊增益的情况；
固定泵浦光频率，对探测光频在布里渊光谱进行扫描，即得到光纤各点的布里渊增益谱，增益谱峰处的频移(布里渊频移值)与光纤所受应变成正比关系，即测得光纤各点的布里渊频移值就能得到光纤各处的应变值。
优选的，BOTDA中的传感器包括两台激光器，且一台为连续光，另一台为脉冲光，两台激光器分别从同一根被测光纤的两端输入。
优选的，当两台激光器的频率差与光纤布里渊频率相同时，两束激光在光纤内部发生强相互作用并增强光纤中已产生的声波(声子)，使得布里渊信号容易定位检测。沿光纤测量应变和温度时，通常需要扫描频差(拍频)绘出布里渊频谱，通过分析该频谱以获得应变和温度信息。
优选的，跳线连接的具体操作如下：
先用剥线钳将跳线与待测光纤的保护层剥去，再用无尘纸蘸取酒精洗去纤芯表面的蜡；
之后将光纤或者跳线一端穿过热缩管，用熔接机熔接光纤与跳线，熔接后将热缩管移至连接处，用熔接机为热缩管加热以加固连接点。
本发明还提出了一种分布式光纤应变测量系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照施工工艺进行光缆封装操作，封装完成后，将测斜管放置到土体中；
S2、将光缆跳线上的数据采集头接入BOTDA，检查系统联通性并设置好相关参数后进行数据采集；
S3、数据采集完成后，数据分析处理装置通过配套软件进行数据的处理。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
分布式光纤技术与定制测斜管结合，研发了一种精度高、监测方便的智能光纤测斜管，并结合实践探索出了一套能够应用于工程现场的施工工艺，基于BOTDA技术的分布式光纤测斜管具有施工简单、监测方便、测量精度高等夜店，能很好地满足深层水平位移监测的需要；
本发明能够进行分布式监测，可获得光纤沿线任一点的应变、变形信息，而且具有高绝缘、防电磁干扰、耐腐蚀的性能，本质上更加安全，并且传感器为石英纤维，使用寿命长，长期稳定性高，监测维护成本低，况且测试距离长，最长可达8O余km，工作效率高，可进行在线24h实时监测，使用效果好。
附图说明
图1为本发明提出的一种分布式光纤应变测量系统及其使用方法的结构示意图。
图2为本发明提出的一种分布式光纤应变测量系统及其使用方法中布里渊分布式光纤传感原理图。
图3为本发明提出的一种分布式光纤应变测量系统及其使用方法中有应变和无应变布里渊频谱图。
图4为本发明提出的一种分布式光纤应变测量系统及其使用方法中倾角法计算中变形曲线示意图。
图5为本发明提出的一种分布式光纤应变测量系统及其使用方法中测斜管上的光纤布设图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-5所示，包括B0TDA、测斜管、光缆和数据分析处理装置；
其中，BOTDA包括解调设备和传感光纤，解调设备发出泵浦光和探测光，两路光分别从光纤的两端注入传感光纤中；光缆直接布设在测斜管表面，且光缆在测斜管表面采用U形布设的方式布设；光缆上设有跳线，跳线的数据采集头接入BOTDA；BOTDA与数据分析处理装置通讯连接；
U形布设具有如下优点：光纤传感器受应变和温度双重影响，U形布置使得光纤传感器能得到测斜管两侧的应变，一侧受拉一侧受压，在计算测斜管中心轴线应变时消除了温度的影响，所以U形布设无须额外增加温度补偿光纤，减少了工作量，降低了施工难度；由于BOTDA技术是双端数据采集，U形布设的两个端头都可以进行数据采集，当一端的光线接头损坏时，可从另一端进行数据采集，不会使测斜管失效，提高了测点存活率；U形布设使得不同光纤测斜管之间可进行连接，即将所有待测测斜管通过一根光纤连接，再利用BOTDA双端检测的特点进行一次性数据采集，大大提高监测效率；
测斜管在弯曲时会产生轴向应变，故计算方式采用倾角法，即将轴向应变换算成倾角，再通过倾角换算成水平位移(如说明书附图4所示)；测斜管上布设中心对称的光纤传感器a和光纤传感器b(如说明书附图5所示)，由光纤传感器a和光纤传感器b测得的应变和平均应变ε、倾角α及垂直轴向的水平位移s的计算公式来确定唯一的测斜管挠度曲线分布，并消除中性轴与几何对称轴不一致的影响，具体的换算公式如下：
刚体形变测量和计算：将测斜管分为测量系统最小分辨率对应的小段(本系统对应的为0.04米)，则可以得到
θ1＝L0(με1下-με1上)/D1
...
θn＝L0(μεn下-μεn上)/Dn
其中Dn为对称监测光缆之间的距离，
φ1、φn是各段与水平的夹角，由上式可得：
φ1＝θ1/2
...
φn＝φn-1+θn/2+θn-1/2
知道φ1、φn的值，马上可得到：
x1＝L0cosφ1
y1＝L0 sinφ1
...
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最终得到整个刚体在受到压力情况下的位置变化；
非刚体形变测量和计算：刚体到半钢体甚至非刚体的变化需要对上述计算进行必要修正，刚体与非刚体的区别应该是刚体在某处发生形变则刚体整体都会发生变化，非刚体则根据刚性近端、远端形变很小甚至不变化；由此在上述计算中根据近端变形的倾斜角并加入相关系数，相邻段相关系数最高，次相邻段相关系数减小，依次类推可得出各段的形变，根据计算当相关系数为x时，计算得到的数据和实际数据比较接近；
φ1＝θ1/2
...
φn＝xφn-1+θn/2+θn-1/2
其中角度的计算加入了相关系数，变形位置技术如下：
x1＝L0cosφ1
y1＝L0 sinφ1
...
xn＝xn-1+L0cosφn
yn＝yn-1+L0 sinφn
最终得到整个测斜管受到压力情况下的位置变化。
在一个可选的实施例中，光纤的封装工艺对于保证监测数据的准确性和可靠性至关重要，光纤封装不到位会导致后期采集的数据缺乏参考价值甚至造成困扰，给施工造成错误导向；光缆封装的施工工艺如下：定制测斜管并清理槽口中的杂物与灰尘，便于光纤与测斜管充分贴合；根据测斜管长度进行光纤拉线，U形的两端根据需要预留一定的长度，方便后期光纤的连接和数据采集；将光缆沿槽线铺设，铺设时将光纤拉直，使光纤有一定的预应力，提高光纤对应变的敏感性，用胶带临时固定在测斜管表面；进行黏结剂的调配和涂抹，黏结剂可选用环氧树脂或玻璃钢胶，涂抹胶水之前应固定测斜管两端，防止在胶水涂抹和凝固过程中发生晃动，影响黏结强度，涂抹时应注意胶水的均匀分布，测斜管两侧依次涂抹，待一侧胶水完全凝固后再进行另一侧的涂抹；在测斜管底端和连接处进行加固和密封保护，以增强测斜管连接处的强度，并防止泥浆进入堵塞测斜管，影响测斜仪探头进入；在下放测斜管之前将预留的光纤盘起，防止下放过程中造成光纤损坏，测斜管连接长度过长的情况下要注意防止测斜管的折断；测斜管填土加固完成后要采取措施对测斜管端头及预留光纤进行保护，保证后期监测工作的。
在一个可选的实施例中，当泵浦光和探测光的频率差落在布里渊光谱内，光纤中产生受激布里渊效应，能量从泵浦光向探测光发生转移，使探测光受到增益；泵浦光是脉冲调制的，类似时域反射原理，背向散射的探测光的时域分布反映出光纤各位置点所受布里渊增益的情况；固定泵浦光频率，对探测光频在布里渊光谱进行扫描，即得到光纤各点的布里渊增益谱，增益谱峰处的频移(布里渊频移值)与光纤所受应变成正比关系，即测得光纤各点的布里渊频移值就能得到光纤各处的应变值(布里渊分布式光纤传感原理如说明书如图2所示)。
在一个可选的实施例中，BOTDA中的传感器包括两台激光器，且一台为连续光，另一台为脉冲光，两台激光器分别从同一根被测光纤的两端输入；当两台激光器的频率差与光纤布里渊频率相同时，两束激光在光纤内部发生强相互作用并增强光纤中已产生的声波(声子)，使得布里渊信号容易定位检测。沿光纤测量应变和温度时，通常需要扫描频差(拍频)绘出布里渊频谱，通过分析该频谱以获得应变和温度信息(有应变和无应变布里渊频谱如说明书如图3所示)。
在一个可选的实施例中，跳线连接的具体操作如下：先用剥线钳将跳线与待测光纤的保护层剥去，再用无尘纸蘸取酒精洗去纤芯表面的蜡；之后将光纤或者跳线一端穿过热缩管，用熔接机熔接光纤与跳线，熔接后将热缩管移至连接处，用熔接机为热缩管加热以加固连接点。
本发明还提出了一种分布式光纤应变测量系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照施工工艺进行光缆封装操作，封装完成后，将测斜管放置到土体中；
S2、将光缆跳线上的数据采集头接入BOTDA，检查系统联通性并设置好相关参数后进行数据采集；
S3、数据采集完成后，数据分析处理装置通过配套软件进行数据的处理。
本发明中，将分布式光纤技术与定制测斜管结合，研发了一种精度高、监测方便的智能光纤测斜管，并结合实践探索出了一套能够应用于工程现场的施工工艺，基于BOTDA技术的分布式光纤测斜管具有施工简单、监测方便、测量精度高等夜店，能很好地满足深层水平位移监测的需要；
本发明能够进行分布式监测，可获得光纤沿线任一点的应变、变形信息，而且具有高绝缘、防电磁干扰、耐腐蚀的性能，本质上更加安全，并且传感器为石英纤维，使用寿命长，长期稳定性高，监测维护成本低，况且测试距离长，最长可达8O余km，工作效率高，可进行在线24h实时监测，使用效果好。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (7)
1.一种分布式光纤应变测量系统，其特征在于，包括B0TDA、测斜管、光缆和数据分析处理装置；
其中，BOTDA包括解调设备和传感光纤，解调设备发出泵浦光和探测光，两路光分别从光纤的两端注入传感光纤中；光缆直接布设在测斜管表面，且光缆在测斜管表面采用U形布设的方式布设；光缆上设有跳线，跳线的数据采集头接入BOTDA；BOTDA与数据分析处理装置通讯连接；
测斜管在弯曲时会产生轴向应变，故计算方式采用倾角法，即将轴向应变换算成倾角，再通过倾角换算成水平位移；测斜管上布设中心对称的光纤传感器a和光纤传感器b，由光纤传感器a和光纤传感器b测得的应变和平均应变ε、倾角α及垂直轴向的水平位移s的计算公式来确定唯一的测斜管挠度曲线分布，并消除中性轴与几何对称轴不一致的影响，具体的换算公式如下：
刚体形变测量和计算：将测斜管分为测量系统最小分辨率对应的小段(本系统对应的为0.04米)，则可以得到
θ1＝L0(με1下-με1上)/D1
...
θn＝L0(μεn下-μεn上)/Dn
其中Dn为对称监测光缆之间的距离，
φ1、φn是各段与水平的夹角，由上式可得：
φ1＝θ1/2
...
φn＝φn-1+θn/2+θn-1/2
知道φ1、φn的值，马上可得到：
x1＝L0cosφ1
y1＝L0 sinφ1
...
xn＝xn-1+L0cosφn
yn＝yn-1+L0 sinφn
最终得到整个刚体在受到压力情况下的位置变化；
非刚体形变测量和计算：刚体到半钢体甚至非刚体的变化需要对上述计算进行必要修正，刚体与非刚体的区别应该是刚体在某处发生形变则刚体整体都会发生变化，非刚体则根据刚性近端、远端形变很小甚至不变化；由此在上述计算中根据近端变形的倾斜角并加入相关系数，相邻段相关系数最高，次相邻段相关系数减小，依次类推可得出各段的形变，根据计算当相关系数为x时，计算得到的数据和实际数据比较接近；
φ1＝θ1/2
...
φn＝xφn-1+θn/2+θn-1/2
其中角度的计算加入了相关系数，变形位置技术如下：
x1＝L0cosφ1
y1＝L0 sinφ1
...
xn＝xn-1+L0cosφn
yn＝yn-1+L0 sinφn
最终得到整个测斜管受到压力情况下的位置变化。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤应变测量系统，其特征在于，光缆封装的施工工艺如下：
定制测斜管并清理槽口中的杂物与灰尘，便于光纤与测斜管充分贴合；根据测斜管长度进行光纤拉线，U形的两端根据需要预留一定的长度，方便后期光纤的连接和数据采集；
将光缆沿槽线铺设，铺设时将光纤拉直，使光纤有一定的预应力，提高光纤对应变的敏感性，用胶带临时固定在测斜管表面；
进行黏结剂的调配和涂抹，黏结剂可选用环氧树脂或玻璃钢胶，涂抹胶水之前应固定测斜管两端，防止在胶水涂抹和凝固过程中发生晃动，影响黏结强度，涂抹时应注意胶水的均匀分布，测斜管两侧依次涂抹，待一侧胶水完全凝固后再进行另一侧的涂抹；
在测斜管底端和连接处进行加固和密封保护，以增强测斜管连接处的强度，并防止泥浆进入堵塞测斜管，影响测斜仪探头进入；
在下放测斜管之前将预留的光纤盘起，防止下放过程中造成光纤损坏，测斜管连接长度过长的情况下要注意防止测斜管的折断；
测斜管填土加固完成后要采取措施对测斜管端头及预留光纤进行保护，保证后期监测工作的。
3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤应变测量系统，其特征在于，当泵浦光和探测光的频率差落在布里渊光谱内，光纤中产生受激布里渊效应，能量从泵浦光向探测光发生转移，使探测光受到增益；泵浦光是脉冲调制的，类似时域反射原理，背向散射的探测光的时域分布反映出光纤各位置点所受布里渊增益的情况；
固定泵浦光频率，对探测光频在布里渊光谱进行扫描，即得到光纤各点的布里渊增益谱，增益谱峰处的频移(布里渊频移值)与光纤所受应变成正比关系，即测得光纤各点的布里渊频移值就能得到光纤各处的应变值。
4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤应变测量系统，其特征在于，BOTDA中的传感器包括两台激光器，且一台为连续光，另一台为脉冲光，两台激光器分别从同一根被测光纤的两端输入。
5.根据权利要求4所述的一种分布式光纤应变测量系统，其特征在于，当两台激光器的频率差与光纤布里渊频率相同时，两束激光在光纤内部发生强相互作用并增强光纤中已产生的声波(声子)，使得布里渊信号容易定位检测。沿光纤测量应变和温度时，通常需要扫描频差(拍频)绘出布里渊频谱，通过分析该频谱以获得应变和温度信息。
6.根据权利要求1所述的一种分布式光纤应变测量系统，其特征在于，跳线连接的具体操作如下：
先用剥线钳将跳线与待测光纤的保护层剥去，再用无尘纸蘸取酒精洗去纤芯表面的蜡；
之后将光纤或者跳线一端穿过热缩管，用熔接机熔接光纤与跳线，熔接后将热缩管移至连接处，用熔接机为热缩管加热以加固连接点。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的分布式光纤应变测量系统还提出了其使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照施工工艺进行光缆封装操作，封装完成后，将测斜管放置到土体中；
S2、将光缆跳线上的数据采集头接入BOTDA，检查系统联通性并设置好相关参数后进行数据采集；
S3、数据采集完成后，数据分析处理装置通过配套软件进行数据的处理。
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