CN111764368A - 一种基于ofdr光纤传感的水平测试系统及方法 - Google Patents

一种基于ofdr光纤传感的水平测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于OFDR光纤传感的水平测试系统及方法，测试系统包括水平测试组件、加热传感光缆、测斜数据采集仪、光电转换模块、DTS解调仪、OFDR光纤数据采集仪、光纤数据处理及分析系统和监测结果显示与预警系统。本发明在测试时，将内部设有分布式光纤应变传感器、温度补偿光纤和加速度敏感元件的测斜仪通过光电缆串接，加热传感光缆敷设在测斜管上，将测斜仪沿着测斜管下放，由此获取监测点的水平位移、应变以及渗流场的变化信息；测试数据经过数据处理系统处理分析后，以图表的方式展现土体水平位移随深度变化、渗流流动。本发明采用光纤传感与传统测斜结合的方式对土体水平位移监测，监测方式全面、精度高，可全面了解土体水平位移趋势，提前判断预警滑动面。

Description

一种基于OFDR光纤传感的水平测试系统及方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域中的水平测试系统，尤其涉及一种基于OFDR光纤传感的水平测试系统及方法。
背景技术
在岩土工程建设中，由于工程实践的复杂性与现场情况的多变性，往往需要对岩土体的深层水平位移进行监测，从而获取实时的水平位移信息，预防大规模工程事故的发生。然而由于例如基坑、边坡岩土工程监测深度较深，很难直接进行测量，因此测斜仪应运而生。
传统的测斜装置分为活动式测斜仪和固定式测斜仪。活动式测斜仪需要将测斜传感器沿着测斜导管由承重电缆下放，每隔一段距离测量一次数据，从而得到测斜管的位移数据。这种测斜方式操作繁琐，每测量一个深度的数据，都要进行读数记录，效率低，且操作人员的经验与熟练度也会影响数据的准确性。
固定式测斜仪由一定数量的测斜传感器组成，也是由测斜管导槽下放，传感器固定在测斜管内。固定式测斜仪由于传感器数量的限制，只能测量一定深度处的水平位移，不能全面反映整体测量深度内唯一的变化，且机械结构笨重。这两种传统的测斜仪器受限于测量原理，监测参数单一且水平位移数据误差大，无法全面获取土体的变形特征，对滑动面的判断也不理想。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于OFDR光纤传感的水平测试系统及方法，以克服传统测斜仪在测量土体深层水平位移时监测参数单一且水平位移数据误差大，无法全面获取土体的变形特征，对滑动面的判断不准确的不足之处。
技术方案：本发明基于OFDR光纤传感的水平测试系统，包括水平测试组件、加热传感光缆、测斜数据采集仪、光电转换模块、DTS解调仪、OFDR光纤数据采集仪、光纤数据处理及分析系统和监测结果显示与预警系统；
水平测试组件包括多个串联的测斜仪，以及测斜管；测斜仪位于测斜管内，测斜仪内有光电缆，测斜仪底端设有红外测距仪；
测斜仪内设有分布式光纤应变传感器、温度补偿光纤和加速度敏感元件；
加热传感光缆沿轴向敷设在测斜管表面对地下水渗流进行监测；
光电缆、加热传感光缆与监测工作箱连接；加速度敏感元件测得的数据由传统测斜数据采集仪传输至光纤数据处理及分析系统；
分布式光纤应变传感器和温度补偿光纤与OFDR光纤数据采集仪连接，加热传感光缆与DTS解调仪连接。
测斜仪上端由旋转塞头密封，旋转塞头上留有光电缆通过的通孔。
测斜仪侧面设有咬合构件，测斜管上开设有多个方向的导向凹槽，纵向咬合构件与导向凹槽贴合。咬合构件包括弹簧阻尼、支撑构件和咬合滑块，弹簧阻尼位于支撑构件和咬合滑块之间。
测斜仪底端采用缓冲塞头，缓冲塞头留有透出红外测距光的通孔。
本发明还包括手机客户端，监测数据通过手机客户端查看。
本发明基于OFDR光纤传感的水平测试方法，采用基于OFDR光纤传感的水平测试系统，该测试方法包括以下步骤：
(1)预先在监测点成孔，将加热传感光缆沿着轴向敷设于测斜管圆周，测斜管与测斜管之间固定；在监测洞口引出加热传感光缆；根据底部测斜仪下方的红外测距仪确定是否到达指定深度；
(2)在测斜管埋设结束后，将串联的测斜仪沿着导向凹槽放入测斜管内，并使测斜仪与测斜管贴合；将末端的软管穿过测斜管的管套，用预制螺母将水平测试组件固定悬挂，将光电缆由预制螺母内部引出；
(3)将引出的光电缆和加热传感光缆连接至监测工作箱；传统测斜数据采集仪采集加速度敏感元件的数据上传网络，经过内部数据处理模块将分段倾角数据处理为水平位移数据后上传网络，并通过客户端软件或者监测结果显示于预警系统查看；光纤传感光缆则预留出光纤跳线；
(4)将分布式光纤应变传感器与温度补偿光纤连接至OFDR光纤数据采集仪，将加热传感光缆的跳线连接至DTS解调仪，采集的光纤传感器的应变、温度信息，以及DTS解调仪的数据将传输至光纤数据处理及分析系统，对原始数据进行去噪、平滑；监测结果以图表的形式展现在监测结果显示与预警系统中，监测结果包括监测方向上的水平位移随深度变化的曲线图、应变随深度变化的曲线图，以及通过DTS测量的渗流速度、流量的时程曲线图；
(5)对土体水平位移和应变值随深度的变化、渗流流动及参数进行定量、定性监测分析，判断、预警危险滑动面的位置。
步骤(1)中，在安装测斜管之前，对加热传感光缆进行标定试验，确定渗流监测系数。
在测试开始之前对光纤传感系统进行参数标定，具体为，设置OFDR波长扫描范围、温度、应变系数参数，标定DTS系统中温度特征值与渗流速率之间的线性关系系数，确定波长漂移量与应变、温度之间的关系，以及温度与渗流速率参数之间的标定值。
步骤(5)中，当应变值在某深度出现突变增量，且该深度以上的水平位移值大于深度以下的水平位移值时，则认为此深度存在危险滑动面；通过对渗流速度、流量的时程曲线分析，对渗流场进行动态监测。
工作原理：OFDR光纤感测技术是分布式光纤技术的一种，其具有分辨率高、测量精度大、抗电磁干扰以及环境适应力强的优点。OFDR传感技术的灵敏度高，可以准确感知土体的微小应变、温度参数，能准确预判土体中危险滑动面的位置。
本发明将OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)分布式光纤传感技术与传统测斜方式共同应用到岩土工程测斜领域，以弥补传统测斜的不足之处。OFDR光频域反射作为一种基于光纤中瑞利散射的背向反射技术，当待测光纤置于外界的温度场或应变场中，光纤受温度或应变影响，光纤内部折射率分布会有变化，相应的瑞利散射信号光的频率也会有变化，通过瑞利散射信号光的频率测量，可以对应外界温度场或应变场的变化，从而实现分布式光纤传感监测。OFDR光纤传感技术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，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℃。在监测装置中，分布式光纤应变传感器将与测斜仪协同位移，利用其高分辨率与灵敏度判断潜在滑动面的位置。
渗流场测量的基本原理是将加热型传感光缆在恒定电流的作用下产生热量，使得传感光缆与测试岩土体之间存在人为温场差，渗流作用将降低周围对的热量，从而引起温度参数的变化，进而通过对温度参数的测量分析实现对渗流场的监测，例如渗流场的渗流速率、流量、水位信息。
传统测斜部分是利用仪器内的加速度敏感元件测试出测试段内地球加速度在X、Y轴上的分量来确定倾角θi的变化，进而求出不同深度段L处水平位移的增量，即di＝L sinθi，再由底部逐段累加，由此得到不同高程土体的水平位移。
本发明在测试时，将内部设有分布式光纤应变传感器和温度补偿光纤的测斜仪通过光电缆串接，加热型传感光缆沿轴向敷设在测斜管周围，将测斜仪沿着测斜管下放至指定位置，由此获取监测点的水平位移、应变以及渗流场的变化信息，对土体进行立体监测；测试数据经过数据处理系统处理分析后，以图表的方式直观展现土体水平位移随深度变化、渗流流动。与现有的技术相比，本发明采用光纤传感与传统测斜结合的方式对土体水平位移监测，监测方式全面、灵敏度高、监测精度大，有助于全面了解测试土体的水平位移趋势，提前判断预警滑动面。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用OFDR光纤传感的优点，使得OFDR传感光纤与土体协同变形，具有分布式量测、测点数据密集、抗电磁干扰、采集数据全面、实时监测的特点，实现了数据化、自动化监测，既能够满足传统测斜的要求，亦能提高预测危险滑动面的准确性，提高了对土体水平位移趋势监测、判断的精度与准确性。
(2)还可以定性判断监测土体中是否存在地下水渗流、水位变化，定量测量土体中地下水渗流的流速、流量信息，进而全方位、多角度地评估工程安全性，实现了分布式、多参数与数字化监测。
附图说明
图1为本发明水平测试系统的结构示意图；
图2为本发明固定式测斜仪外部结构示意图；
图3为固定式测斜仪内部结构示意图；
图4为加热传感光缆敷设示意图；
图5为测斜管截面图；
图6为固定式测斜仪顶部结构示意图；
图7为最底端的固定式测斜仪底部示意图；
图8为测斜管顶部安装示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于OFDR光纤传感的水平测试系统包括水平测试组件、加热传感光缆22、测斜数据采集仪6、光电转换模块7、DTS解调仪10、OFDR光纤数据采集仪11、光纤数据处理及分析系统12和监测结果显示与预警系统13。
该水平测试组件包括多个串联的测斜仪1，以及测斜管2；固定式测斜仪1的内部固定有分布式光纤应变传感器16、温度补偿光缆17和加速度敏感元件15，加热传感光缆22沿着轴向敷设在测斜管2表面。
在测斜管2埋设后，串联的固定式测斜仪1沿着测斜管2下放至指定深度。从测斜管2地表面端头引出光电缆33和加热传感光缆22，连接至位于附近的监测工作箱5，工作箱在安装时需将地面用水泥整平。光电转换模块7通过将太阳能转换为电能为监测工作箱5提供工作能源。传统测斜数据采集仪6位于监测工作箱5内，加速度敏感元件15的电缆线将直接连接至传统测斜数据采集仪6，保存监测数据并上传至互联网，该监测数据可以通过客户端软件9用手机查看，或者将数据进一步加工处理后在监测结果显示与预警系统13中更直观展现。8为光纤传感器的连接跳线，将分布式光纤应变传感器16与温度补偿光纤17的跳线连接至OFDR光纤数据采集仪11，加热传感光缆22的跳线连接至DTS解调仪10，光纤数据采集仪在采集到温度、应变的相关监测数据后，将原始数据传输至光纤数据处理及分析系统12，对原始的光纤数据进行小波处理与降噪等操作后，最终的监测结果将以直观图表的方式展现在监测结果显示与预警系统13。
如图2所示，固定式测斜仪1两侧安装有纵向咬合构件，其作用是与测斜管导向凹槽咬合固定，并且能沿着导向凹槽将固定式测斜仪下放至指定深度。纵向咬合构件包括半螺纹螺栓26、螺母25、弹簧阻尼24、支撑构件26与咬合滑块23。支撑构件通过螺栓与咬合滑块连接，弹簧阻尼位于支撑构件和咬合滑块之间。固定式测斜仪1放入测斜管2后需要与凹槽紧密贴合，弹簧阻尼24处于压缩受力状态。
如图3所示，分布式光纤应变传感器16、温度补偿光纤17都铠装保护，以全粘结的方式埋设在固定式测斜仪1内部的光纤凹槽18中，用环氧树脂进行封装，埋设之前要对光纤进行预拉伸，并且与内壁紧密贴合固定，使得光纤与测斜仪协同变形。
如图4、图5所示，测点处布设的测斜管2内有三组角度分别为0°、45°、90°的导向凹槽21。安装时，该导向凹槽的方向与土体最大位移方向一致。
加热传感光缆22沿着测斜管轴向方向紧密敷设在测斜管2的圆周，与测斜管2形成整体结构，并在弯折处保持一定的弧度，敷设密度根据情况进行调整。在埋设之前需要进行标定试验，确定温度参数与渗流场参数之间的定量关系，光缆通过感知温度的变化对地下水渗流进行监测。测斜管在埋设后不能与土体之间留有空隙，需要用砂土填充捣实。
如图6所示，固定式测斜仪顶部由金属旋转塞头32密封，金属旋转塞中间设有通孔供光电缆33通过。光电缆33由金属软管3保护协助受力，两端的金属软管螺帽31与螺纹外接头旋转拧固。
固定式测斜仪内部由分布式光纤传感器、温度补偿光纤、加速度敏感元件以及两侧的纵向咬合构件组成，上端是金属旋转塞头32。
如图7所示，位于测试系统底部的固定式测斜仪1底端设置有红外测距仪34，实时测量测斜仪距管底的距离，协助测试系统下放至指定位置并确定测量深度，提高测斜数据的准确性。此测斜仪底端采用橡胶缓冲塞头35，且留有通孔透出测距光。
固定式测斜仪由光电缆串联在一起，光电缆由金属软管保护，协助光电缆受力承重。固定式测斜仪的数量根据工程的实际情况、监测精度及成本进行调整。
如图8所示，测斜管2地面露出部分用金属管套36封堵，金属管套36中心开设有圆孔，可允许金属软管3穿过。测斜仪全部下放完成后，将顶端金属软管3穿过金属管套36，用预制螺母37将测试装置固定悬挂。光电缆33由预制螺母37内部引出，22为加热传感光缆引线。
加速度敏感元件的监测数据，由光电缆直接传输至传统测斜数据采集仪，并且上传至网络。测斜数据既可以直接通过客户端软件简单查看，也可以通过最终的监测结果显示与预警系统经过处理后全面分析。
本发明基于OFDR光纤传感的水平测试方法的测试步骤如下：
(1)在设计的监测点成孔，将加热型传感光缆22沿轴向敷设在测斜管2的圆周，测斜管与测斜管之间用连接管固定；在安装测斜管之前，对加热传感光缆22进行标定试验，确定渗流监测系数。在埋设测斜管2时需要将其两端用橡胶管套封堵，防止异物进入，并在监测洞口引出加热传感光缆22。将需要测量使用的导向凹槽21要沿着土体最大位移方向设置。测斜管2与成孔之间不能留有缝隙，需要用砂土填充捣实。根据底部测斜仪下方的红外测距仪34来确定是否到达指定深度。
(2)检查固定式测斜仪1内的各个传感元件是否正常工作。确认无误后，固定式测斜仪1由两侧的纵向咬合构件沿着测斜管2内的导向凹槽21下放。安装时需要保证咬合滑块23与导向凹槽紧密贴合，弹簧阻尼24处于受力状态，必要时可使用润滑油减小滑动摩擦。测斜仪下方的红外测距仪34对距孔底的深度信息进行记录监测，在到达指定位置后将固定式测斜仪1顶端的金属软管3穿过测斜管洞口的金属管套36，用预制螺母37将测斜仪固定悬挂在金属套管上，并由预制螺母内部引出光电缆33。
(3)将引出的光电缆33与加热光缆引线22连接至监测工作箱5。监测工作箱5安装在测点附近，安装地面需用水泥平整。光电转换模块7为监测工作箱5提供必要的电能。传统测斜数据采集仪6采集加速度敏感元件15所测得的倾角数据，经过光纤数据处理及分析系统将分段倾角数据处理为水平位移数据后上传网络，通过客户端软件9或者监测结果显示与预警系统13进行查看。光纤传感光缆则预留出光纤跳线8。
(4)测量时，将分布式光纤应变传感器16与温度补偿光纤的跳线17连接至OFDR光纤数据采集仪11，加热传感光缆22的跳线连接至DTS解调仪并通入恒定电流。两台光纤数据采集仪的数据，以及DTS解调仪10的数据都将传输至光纤数据处理及分析系统12，对原始的光纤数据进行小波处理与去噪、平滑后，监测结果将以图表形式展现在监测结果显示与预警系统13中，对土体水平位移随深度的变化、渗流流动及参数进行定量、定性监测分析，判断、预警危险滑动面4的位置。
(5)需要注意的是：在正式测试开始之前需要对光纤传感系统进行参数设置与标定，对加速度敏感元件进行检验校正。测得的分布式光纤应变传感数据要用温度补偿光纤的数据进行温度补偿。根据现场实际情况设置OFDR波长扫描范围、温度、应变系数参数，标定DTS系统中温度特征值与渗流速率之间线性关系系数，确定无误后初始测量值需要记录。
(6)监测结果显示与预警系统13将以图表的方式清晰展示监测结果，监测结果包括监测方向上的水平位移随深度变化的曲线图、应变随深度变化的曲线图，还包括通过DTS技术测量的渗流速度、流量的时程曲线。
当应变值在某深度出现大于400με的突变增量，且该深度处以上的水平位移值明显大于以下的水平位移值时，即可认为此深度存在危险滑动面4，达到提前预警的效果；通过对渗流速度、流量的时程曲线分析，判断土体中是否存在渗流作用以及渗流大小、水位，实现对渗流场的动态监测。

Claims (10)

1.一种基于OFDR光纤传感的水平测试系统，其特征在于：包括水平测试组件、加热传感光缆(22)、测斜数据采集仪(6)、光电转换模块(7)、DTS解调仪(10)、OFDR光纤数据采集仪(11)、光纤数据处理及分析系统(12)和监测结果显示与预警系统(13)；
所述水平测试组件包括多个串联的测斜仪(1)，以及测斜管(2)；所述测斜仪位于测斜管内，所述测斜仪内有光电缆(33)，所述测斜仪底端设有红外测距仪(34)；
所述测斜仪内设有分布式光纤应变传感器(16)、温度补偿光纤(17)和加速度敏感元件(15)；
所述加热传感光缆沿轴向敷设在测斜管表面对地下水渗流进行监测；
所述光电缆、加热传感光缆与监测工作箱(5)连接；所述加速度敏感元件测得的数据由传统测斜数据采集仪传输至光纤数据处理及分析系统；
所述分布式光纤应变传感器和温度补偿光纤与OFDR光纤数据采集仪连接，所述加热传感光缆与DTS解调仪连接。
2.根据权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的水平测试系统，其特征在于：所述测斜仪上端由旋转塞头(32)密封，所述旋转塞头上留有光电缆通过的通孔。
3.根据权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的水平测试系统，其特征在于：所述测斜仪侧面设有咬合构件，所述测斜管上开设有多个方向的导向凹槽(21)，所述纵向咬合构件与导向凹槽贴合。
4.根据权利要求3所述的基于OFDR光纤传感的水平测试系统，其特征在于：所述咬合构件包括弹簧阻尼、支撑构件和咬合滑块，所述弹簧阻尼位于支撑构件和咬合滑块之间。
5.根据权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的水平测试系统，其特征在于：所述测斜仪底端采用缓冲塞头(35)，所述缓冲塞头留有透出红外测距光的通孔。
6.根据权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的水平测试系统，其特征在于：还包括手机客户端，所述监测数据通过手机客户端查看。
7.一种基于OFDR光纤传感的水平测试方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的水平测试系统进行测试，所述测试方法包括以下步骤：
(1)预先在监测点成孔，将加热传感光缆沿着轴向敷设于测斜管圆周，测斜管与测斜管之间固定；在监测洞口引出加热传感光缆；根据底部测斜仪下方的红外测距仪确定是否到达指定深度；
(2)在测斜管埋设结束后，将串联的测斜仪沿着导向凹槽放入测斜管内，并使测斜仪与测斜管贴合；将末端的软管(3)穿过测斜管的管套(36)，用预制螺母(37)将水平测试组件固定悬挂，将光电缆(33)由预制螺母内部引出；
(3)将引出的光电缆(33)和加热传感光缆(22)连接至监测工作箱(5)；传统测斜数据采集仪(6)采集加速度敏感元件(15)的数据上传网络，经过内部数据处理模块将分段倾角数据处理为水平位移数据后上传网络，并通过客户端软件(9)或者监测结果显示与预警系统查看；光纤传感光缆则预留出光纤跳线；
(4)将分布式光纤应变传感器与温度补偿光纤连接至OFDR光纤数据采集仪(11)，将加热传感光缆的跳线连接至DTS解调仪，采集的光纤传感器的应变、温度信息，以及DTS解调仪的数据将传输至光纤数据处理及分析系统，对原始数据进行去噪、平滑；监测结果以图表的形式展现在监测结果显示与预警系统(13)中，监测结果包括监测方向上的水平位移随深度变化的曲线图、应变随深度变化的曲线图，以及通过DTS测量的渗流速度、流量的时程曲线图；
(5)对土体水平位移和应变值随深度的变化、渗流流动及参数进行定量、定性监测分析，判断、预警危险滑动面(4)的位置。
8.根据权利要求7所述的基于OFDR光纤传感的水平测试方法，其特征在于：步骤(1)中，在安装测斜管之前，对加热传感光缆(22)进行标定试验，确定渗流监测系数。
9.根据权利要求7所述的基于OFDR光纤传感的水平测试方法，其特征在于：在测试开始之前对光纤传感系统进行参数标定，具体为，设置OFDR波长扫描范围、温度、应变系数参数，标定DTS系统中温度特征值与渗流速率之间的线性关系系数，确定波长漂移量与应变、温度之间的关系，以及温度与渗流速率参数之间的标定值。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的基于OFDR光纤传感的水平测试方法，其特征在于：步骤(5)中，当应变值在某深度出现突变增量，且该深度以上的水平位移值大于深度以下的水平位移值时，则认为此深度存在危险滑动面；通过对渗流速度、流量的时程曲线分析，对渗流场进行动态监测。
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