CN112212915A - 一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器。该光纤光栅传感器包括光纤、应变传感器、温度传感器以及毫米级纤维增强的柔性材料套管。应变传感器与温度传感器串联式交替间隔布置于光纤上；光纤封装于毫米级直径的纤维增强柔性套管中。因为这种特殊的一体化式传感器布置形式以及毫米级纤维增强柔性套管与光纤光栅紧密贴合，所以本申请实例中的光纤光栅传感器，能够在温度变化较快的环境中，不仅能实现应变、温度完全同步测量，提高温度补偿精度，并能测量更大量程应变量，适用滑坡、崩塌等不良地质体的变形测量。同时，由于纤维增强材料抗腐蚀、耐受极端温度，所以本申请实例中的光纤光栅传感器能够适应恶劣的野外环境。

Description

一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器

技术领域

本申请属于地质监测领域，尤其涉及一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器，以及数据处理的方法。

背景技术

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有本质安全、抗电磁干扰、使用寿命长、易于组网等优点，基于光纤光栅的应变传感器逐渐广泛应用于桥梁、建筑物等刚性结构的变形测量，也逐渐应用于滑坡、崩塌等不良地质体和松散地质体的变形监测。

由于光纤光栅传感器受温度影响较大，须进行温度补偿才可得到精确的应变数据。但是，现有技术都通过外置温度传感器测试数据进行温度补偿，不仅温度测量与应变测量不同步，而且两类传感器分设于不同位置，在温度变化较快的环境中，难以实现快速温度补偿，且不能保证应变监测数据的精确性，安装、使用也很不便捷。由于光纤材料性脆易折，光纤光栅传感器须封装保护后，方能使用。通常将光纤光栅传感器置于固定的刚性槽中或固定于刚性结构物上，因此，当测量对象结构松散或刚性较差时，低应变时光栅光纤测量与测对象变形不同步，并且测量量程小，不能测量大变形。当测量对象为大变形特征显著的滑坡、崩塌等不良地质体，或刚性差、结构松散构时，传统的光纤光栅测量技术应用受限。

发明内容

本申请实施例提供一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器，柔性杆件不仅在低应变时可以实现与受测对象同步变形，而且能适应测量对象大变形；应变传感器和温度传感器交替串接的一体化组合形式，可以保证在温度变化频率较快的监测环境中，较快速实现温度补偿，保证监测应变数据的准确性，提高测量的精度。

第一方面，本申请实施例提供，一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器，以下简称光纤光栅传感器，包括：

光纤、应变传感器、温度传感器以及毫米级纤维增强的柔性高分子复合材料微型套管；

所述应变传感器与所述温度传感器交替间隔布置于所述光纤；

所述光纤封装于所述毫米级纤维增强的柔性高分子复合材料微型套管中。

可选地，所述应变传感器与所述温度传感器串行连接交替间隔布置于所述光纤。

可选地，两个所述温度传感器之间设置至少一个所述应变传感器。

可选地，所述应变传感器、所述温度传感器分别与所述光纤熔接。

可选地，所述光纤与所述纤维增强柔性高分子复合材料套管通过环氧树脂胶紧密贴合。

可选地，所述光纤光栅传感器还包括底端固定软木塞；所述软木塞套设于所述套管的底端，以将所述光纤光栅传感器固定于测量结构体的底端。

可选地，所述软木塞与所述套管为间隙配合。

可选地，所述软木塞的底面与所述套管的末端之间具有可调整的预设距离。

第二方面，本申请实施例提供了一种数据处理的方法，所述方法应用于如第一方面以及第一方面可选的所述的光纤光栅传感器，所述方法包括：

所述光纤光栅传感器的应变传感器采集应变数据；

所述光纤光栅传感器的温度传感器采集温度数据；

将采集的所述应变数据和所述温度数据发送至监测设备，以用于地质监测。

本申请实例的一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器，能够将应变传感器和用于温度补偿的温度传感器交替串接在同一根毫米级纤维增强的柔性套管中，实现两类传感器的一体化整合，可以在温度变化较快的环境中监测不良地质体变形，尤其结构松散地质体的变形；同时，该光纤光栅传感器还具有尺寸小、精度高、灵敏度高、抗腐蚀、适应恶劣环境和复用性好的优点，可以用于野外恶劣环境中滑坡、崩塌等不良地质体和松散地质体的变形监测，也可用于不同室内环境中松散结构体模型(如滑坡、崩塌模型)的变形测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的光纤光栅传感器的结构示意图；

图2是本申请另一个实施例提供的光纤光栅传感器的结构示意图；

图3是本申请一个实施例提供的光纤光栅传感器的应用场景的示意图；

图4是本申请一个实施例提供的光纤光栅传感器的安装场景的示意图；

图5是本申请一个实施例提供的数据处理的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本申请，并不被配置为限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating，FBG)即光纤布拉格光栅传感器，由激光器发出光信号，当光栅发生拉伸、压缩或是温度变化时，将引起光栅周期Λ的变化，FBG周期的折射率扰动仅会对波长范围很窄的一段光谱产生影响，即只有满足布拉格(Bragg)条件λ_B＝2neffΛ。光波才能被光栅所反射，其余的透射光谱则不受影响，FBG起到反射镜或滤波器的作用。

光纤光栅传感器可以应用于库水位波动条件下滑坡模型深部位移监测中。当斜坡滑动时，光纤光栅传感器随斜坡滑动发生形变，形变引起光纤光栅传感器内部应力变化，使得该位置的光纤光栅传感器光反射波长发生变化，该变化的波长由解调仪采集并转换成电信号，由工控机算法转换成相应信息，工控机并将该信息传输至软件并由显示器展示出来。

因此，基于光纤光栅的应变传感器逐渐应用于地质体的变形监测领域。由于光纤光栅传感器材料本身受温度影响较大，光纤光栅传感器必须进行温度补偿方可得到精确的应变数据。在一个温度变化较快环境中，快速实现温度补偿是最大难题。现有技术中，采用外置温度传感器量测周边环境温度，通过后续计算进行温度补偿。这种方式一是两类传感器安装不便捷，且现场测线繁多；二是非同步量测，影响应变精度。所以，通过外置温度传感器的简单温度补偿传统方式，在环境中温度变化较快时，不能快速获得变形信息。

为了解决现有技术问题，本申请实例提供的一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器，将应变传感器和用于温度补偿的温度传感器交替串接在同一根毫米级纤维增强的柔性套管中，不仅实现两类传感器的一体化，而且可以在温度变化率较快的环境中对具有大变形特征的不良地质体或对刚性差的松散结构地质体进行变形监测；同时，该光纤光栅传感器还具有尺寸小、精度高、灵敏度、抗腐蚀、适应恶劣环境和复用性好的优点，可以用于野外恶劣环境中滑坡、崩塌等不良地质体和松散地质体的变形监测，也可用于不同室内环境中松散结构体模型(如滑坡、崩塌模型)的变形测量。

图1是本申请一个实施例提供的光纤光栅传感器的结构示意图。如图1所示，该光纤光栅传感器100，可以包括：

光纤101、温度传感器102、应变传感器103、以及套管(图中未示出)。

该应变传感器103与温度传感器102交替间隔布置于光纤101。光纤101封装于套管中。

在一些实施例中，应变传感器103与温度传感器102可以串行连接交替间隔布置于光纤101。

具体地，应变传感器的数量可以为多个，温度传感器的数量可以为多个。

在一些实施例中，两个温度传感器102之间设置至少一个应变传感器103。

在一些实施例中，应变传感器103、温度传感器102可以分别与光纤熔接。

在一些实施例中，如图1所示，一个光纤上可以熔接有两个温度传感器102和六个应变传感器103。应用于水位波动的模拟水库环境中，滑坡模型深部位移监测时，该光纤光栅传感器中，一个温度传感器102布置于光纤的上部，对应最高水位；另一个温度传感器102布置于光纤中下部，对应最低水位。两个温度传感器102之间布置四个应变传感器103。

该光纤光栅传感器中温度传感器和应变传感器不仅在结构型式上实现一体化，而且实现良好匹配，能够满足水位波动区间温度快速分层变化时的应变监测。基于此，可以实现光纤光栅传感器相邻栅段温度完全同步响应，光纤光栅传感器量程，即微应变可以达到了正负1500με，不仅达到了温度快速补偿效果，减少温度补偿因位置不同导致的测量误差和时间滞后，综合测试精度可以达到3‰F.S满量程；而且应变测量的量程较刚性固定明显增大。

在一些实施例中，套管可以为直径3mm的纤维增强(Fiber Reinforced Plastic，FRP)柔性套管。该FRP材料是由玻璃纤维与基体材料经过缠绕、模压或挤压等成型工艺形成的复合材料。FRP材料具有重量轻、强度高、抗腐蚀性、耐受极端温度和耐久性好的优点，该FRP材料的热膨胀系数与混凝土相近。采用该FRP材料的套管对光纤光栅传感器进行封装，可以消除光纤光栅传感器本身对滑坡模型造成的抑滑作用，同时更好地实现与松散结构体的同步协同变形测量。并且，这种柔性材料套管可以使光纤光栅传感器具有较好的弹性恢复能力，可以重复使用。而且，这种高强度的柔性封装材料，可以保证应变传感器和温度传感器对外界变化更好同步性以及对恶劣环境的更强适应性，尤其适合于各种复杂环境，包括野外恶劣环境。

可以理解的是，根据波分复用原理选择传感器的初始波长，参考内温度补偿思路，对于该光纤光栅传感器，在同一根光纤上进行应变传感器和温度传感器的串接，原则上在温度变动较频繁的界面设置温度传感器即温补栅段。应变传感器和温度传感器，即应变栅段和温补栅段的间距不宜过大。该光纤光栅传感器的应变栅段和温补栅段按实际使用情况要求的间距进行布置。

在一些实施例中，光纤与套管之间设有用于封装的环氧树脂胶。具体地，可以将串联熔接了应变传感器和温度传感器的光纤，组装入FPR材料套管中，然后在套管中注入环氧树脂胶，完成对光栅元件的封装。

在一些实施例中，该光纤光栅传感器还可以包括软木塞，如图2所示，图2是本申请另一个实施例提供的光纤光栅传感器的结构示意图。

在一些实施例中，该软木塞可以套设于该光纤光栅传感器的套管的底端，以用于将光纤光栅传感器固定于安装面。

在一些实施例中，该软木塞与套管可以为间隙配合。软木塞的底面与该光纤光栅传感器的套管的末端之间具有预设距离。具体地，预设距离可以为2厘米。软木塞在光纤光栅传感器延伸的方向上具有预设宽度，具体地，预设宽度可以为3厘米至5厘米。软木塞的半径可以为1厘米。该光纤光栅传感器的长度可以为40厘米。实际应用中，可根据监测对象断面深度，设计传感器长度。

基于此，以便于利用软木塞将光纤光栅传感器装配固定在待测量区域的安装面。并且，使用软木塞便于光纤光栅传感器的拆除，后续可以重复使用光纤光栅传感器，进而可以降低使用成本。可以理解的是，在实际应用中，该软木塞的大小以及套设位置可以根据实际需求确定，在此不再赘述。

示例性的，本申请提供的光纤光栅传感器可以应用于库水位波动条件下的多层复杂结构滑坡模型的深部位移监测工作场景，如图3所示，图3是本申请一个实施例提供的光纤光栅传感器的应用场景的示意图。在图3中，I-1，I-2和I-3分别为光纤光栅传感器。水位升降区间为50厘米至80厘米。该光纤光栅传感器的套管的一端可以套设有半径为1厘米的软木塞，可参见图2。滑坡模型的滑床上开有9个半径1厘米的圆形插孔，搭建模型时将柔性光纤光栅传感器固定于预留插孔中，请参见图4，图4是本申请一个实施例提供的光纤光栅传感器的安装场景的示意图。滑坡模型搭建完毕后，采用与监测对象相同的填料将固定在预留插孔中的传感器周边密实回填，保证其与监测对象紧密贴合；同时将光纤光栅连接至解调仪，解调仪与计算机联接后便实时显示各传感器波长变化，通过公式自动计算每个传感器对应坐标位置测量的应变数据。

综上，本申请实施例提供了一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器，能够将应变传感器和用于温度补偿的温度传感器一体化结合在同一个毫米级纤维增强的柔性套管中，在温度变化较快环境中对大变形不良地质体或刚性差的松散结构地质体变形进行监测时，可以同步测量更大范围应变量、并快速实现温度补偿，保证应变数据的精确性。同时，该光纤光栅传感器还具有尺寸小、精度高、灵敏度和复用性好的优点，并且由于采用抗腐蚀、并适应极端温度环境的纤维增强材料(PFR)为封装材料，本申请实例中的光纤光栅传感器对恶劣环境适应性更强。可用于复杂野外环境中各类地质体的变形监测。

在本申请实施例中，还提供了一种数据处理的方法，该方法应用于如上述实施例中所述的的光纤光栅传感器。下面对本申请实施例所提供的数据处理的方法进行介绍。

图5是本申请一个实施例提供的数据处理的方法的流程示意图。如图5所示，该数据处理的方法，可以包括如下步骤：

S501：光纤光栅传感器的应变传感器采集应变数据；

S502：光纤光栅传感器的温度传感器采集温度数据；

S503：将采集的应变数据和温度数据发送至监测设备，以用于地质监测。

在一些实施例中，示例性的，在库水位波动条件下的滑坡模型的深部位移监测工作场景。滑坡模型搭建完毕后，可以将光栅连接至解调仪，通过计算机软件实时显示各传感器的波长变化，通过公式计算传感器对应坐标位置的位移数据。

在一些实施例中，应力和温度引起的光栅布拉格波长漂移的可以表示为如下公式(1)：

ΔλB＝λB(1-pe)ε+λB(α+ζ)ΔT (1)

其中：ΔλB为温度和应变引起的波长漂移；ε为轴向应变；ΔT为温差；pe为弹光系数，pe≈0.22；α和ζ分别为光纤的热膨胀系数以及热光系数。

针对此光纤光栅传感器标定之后整理出来的波长对应应变的公式(2)为：

ε＝K(λ1-λ0)-B(λt1-λt0) (2)

其中，K为应变传感器应变系数；B为温度修正系数；λ1为应变栅当前的波长值；λ0为应变栅初始的波长值；λt1为温补光栅当前波长值；λt0为温补光栅初始波长值。

应变传感器测量信号和温度传感器信号，通过多通道光纤光栅解调器采集，经过快速温度补偿后，根据标定数据快速自动换算成监测点的真实应变量。

在一些实施例中，地质监测可以包括：野外滑坡、崩塌等大变形的不良地质体变形监测、或松散地质体的变形监测，也和用于不同室内环境中松散结构体模型(如滑坡、崩塌模型)的变形测量。

综上，本申请实施例提供了一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器，能够将应变传感器和用于温度补偿的温度传感器一体化式结合在同一个毫米级纤维增强的柔性套管中，在温度变化频率较快环境中的松散结构模型进行监测时，可以同步测量更大范围应变量、并快速实现温度补偿，保证应变监测数据的精确性。同时，该光纤光栅传感器还具有尺寸小、精度高、灵敏度和复用性好的优点，并且由于使用抗腐蚀、并适应极端温度环境的纤维增强高分子复合材料(PFR)作为封装材料，本申请实例中的光纤光栅传感器对恶劣环境适应性更强。可以用于野外复杂环境中不良地质提的变形监测。

还需要说明的是，本申请中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本申请不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器，其特征在于，包括：

光纤、应变传感器、温度传感器以及毫米级纤维增强的柔性高分子复合材料微型套管；

所述应变传感器与所述温度传感器交替间隔布置于所述光纤；

所述光纤封装于所述毫米级纤维增强的柔性高分子复合材料微型套管中。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述应变传感器与所述温度传感器串行连接交替间隔布置于所述光纤。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，两个所述温度传感器之间设置至少一个所述应变传感器。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述应变传感器、所述温度传感器分别与所述光纤熔接。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤与所述纤维增强的柔性高分子复合材料套管通过环氧树脂胶紧密贴合。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器还包括底端固定软木塞；所述软木塞套设于所述套管的底端，以将所述光纤光栅传感器固定于测量结构体的底端。

7.根据权利要求6所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述软木塞与所述套管为间隙配合。

8.根据权利要求6所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述软木塞的底面与所述套管的末端之间具有可调整的预设距离。

9.一种数据处理的方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1至8任一项所述的光纤光栅应变传感器，所述方法包括：

所述光纤光栅传感器的应变传感器采集应变数据；

所述光纤光栅传感器的温度传感器采集温度数据；

将采集的所述应变数据和所述温度数据发送至监测设备，以用于地质监测。

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