CN113091991A - 一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，包括外部承台、传力臂、测压桶、两个OFDR光纤传感器、PVC管、光纤光缆、桶内平台、平台支座、PLA套管、上空心悬挂轨、铰接球、下悬挂轨、悬挂轨连接件、信号采集和处理系统。本申请将OFDR技术和Flex传感器相结合，既有光频域反射光纤测量技术的高空间分辨率，灵敏度高的优点，同时还具有Flex传感器可测大位移，成本低，稳定性高的优点，可用于工程实际情况之中。

Description

一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统

技术领域

本发明涉及注浆压力监测技术领域，更具体地说，是涉及一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统。

背景技术

注浆压力自19世纪初，法国人Charles.Berlghy将注浆技术用于Dieppe冲刷闸(第厄普冲刷闸)上之后，经过各国学者专家的不断研究与探索，目前其已发展运用到冶金、地铁、建筑、铁路、军事、公路及军事等领域的岩土工程实用施工技术。

随着专家学者及工程技术人员对注浆充填技术的持续关注和热情，注浆技术不断发展和完善，进而注浆监测技术在国外得到了较快的发展，日本、英国、法国、美国等国家的注浆监控技术都已经达到半自动化或自动化程度，任何一个阶段的注浆流量、浆液成分及注浆液的发展情况都实时获得，有利于指导注浆过程，并且具有统计分析的功能。

相对的，注浆监测技术在国内的研究起步比较晚、发展缓慢，注浆监测系统较少。上海大屯煤电集团与上海大学合作研制开发了注浆站注浆过程实时监测系统，该系统以单片机为核心部件，通过电磁流量计和核辐射密度计采集流量和浓度信号，借助上位机(PC机)通过Modem(调制解调器)与置于现场的下位机远程通信，实现了二十四小时对注浆瞬时流量、瞬时浓度的实时监测。该系统能够通过键盘、LED显示器和打印机，实现了对各种注浆参数的显示和注浆累计结果的打印，并同时能够完成监测数据的计算和存储；山东科技大学根据对注浆监测参数的要求，设计了一套基于现场单片机(下位机)和通风房PC机(上位机)的远距离注浆监测系统，采集到的流量信号和浓度信号经单片机处理后通过串行口发送至PC机，实现存储、显示或打印等功能。

上述监测系统都较好地实现了对注浆参数的实时监测和远程监测，但是在监测数据采集方面，主要是对注浆流量和浓度参数的监测，缺少关键参数——注浆压力的数据采集，且在参数分析方面，上述注浆充填参数监测系统不具备参数趋势分析功能，无法辅助施工人员对可能出现的状况的预测与预防。

光纤传感器是一种新兴监测技术，逐渐应用于多种行业与领域，具有监测精度高、抗电磁干扰强等优点。光纤在传感技术方面具有独特的性能和用途，作为敏感元件本身，光纤传感器与传统的力学传感器、电子传感器相比具有明显的优点，在某些特殊的场景中显示出不可替代的作用，比如光纤陀螺仪、光散射传感器和光纤光栅，因此，利用光纤材料对光波的散射特性，可以构建分布式的光纤传感系统。

OFDR技术(光频域反射技术)是通过测量背向瑞利散射光的频率信息来进行定位的一种技术,满足了科研人员对高空间分辨率的要求，可以通过光波长变化进而反应应力、应变的大小，有利于注浆压力的获取。

Flex传感器(弯曲传感器)是一种电阻式传感器，与传统的弯曲感器相比有如准确度高、重量轻、可无线传输等许多不可替代的优点，由于它是由超薄的电阻片构成，可以借助超薄的外部封装将它固定在被测物曲面上，配合无线模拟输出，有利于数据的采集与处理。

因此，针对注浆压力的监测，开发一种高精度的基于OFDR技术及Flex传感器的注浆压力监测系统是很有必要的。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统。

本发明技术方案如下所述：

一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，包括OFDR光纤传感器、下铰接球、左OFDR传感器信号臂、左铰接球、右OFDR传感器信号臂、右铰接球、空心悬挂轨、外部信号处理系统、PLA管、Flex传感器及数据处理系统；

所述OFDR光纤传感器下端连接所述下铰接球，所述左OFDR传感器信号臂的上端连接所述左铰接球，所述左铰接球固定在所述空心悬挂轨内，所述右OFDR传感器信号臂的上端连接所述右铰接球，所述右铰接球内置于所述空心悬挂轨内并沿着所述空心悬挂轨滑动，所述OFDR光纤传感器的两端分别经所述左铰接球、所述右铰接球穿过所述空心悬挂轨连接所述外部信号处理系统；

所述PLA管内预留安装槽，所述安装槽内设置所述Flex传感器，两根所述PLA管铰接，其中一根所述PLA管的上端与测压桶的内平台下表面连接，另一根所述PLA管的下端与所述测压桶的底面刚接，所述Flex传感器穿过所述PLA管与所述数据处理系统连接。

上述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，所述OFDR光纤传感器包括参考光纤与待测光纤，所述参考光纤设置在所述左OFDR传感器信号臂内，所述待测光纤设置在所述右OFDR传感器信号臂内；

其中，所述左OFDR传感器信号臂与所述右OFDR传感器信号臂采用铠装光纤光缆，所述铠装光纤光缆通过内部的裸光纤及外层包裹的PVC紧包层组成。

调谐线性扫频激光器发出的连续光经过光纤耦合器进入所述下铰接球，所述下铰接球内设置有干涉仪，所述连续光分成两束光，其中一束所述连续光进入所述参考光纤，按照固定的光程反射回来传送至光电探测器中，另一束所述连续光进入所述待测光纤，瑞利散射信号伴随着传输过程产生，背向的瑞利散射信号返回，成为信号光后同样传送到光电探测器中。由于两束所述连续光的光程不同，所述参考光纤与所述待测光纤中的背向散射光携带不同的频率信息，两束所述背向散射光射到所述外部信号处理系统的光电检测器的光敏面上发生干涉现象，即混频现象，通过所述外部信号处理系统的数字采集卡获得所述待测光纤携带的信息。

上述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，所述数据处理系统包括数据采集传输装置与数据采集分析终端，所述Flex传感器均通过传感器信号采集线缆与所述数据采集传输装置连接，所述数据采集传输装置与所述数据采集分析终端通过蓝牙无线发射装置连接。

上述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，所述OFDR光纤传感器外设置套管，所述套管内部设置有OFDR光纤，所述套管包括传感器部分和固定孔部分，所述OFDR光纤传感器位于所述套管中轴线位置处并预留一定长度在所述套管外。

上述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，所述下铰接球、所述左铰接球及所述右铰接球均设置有预留孔洞，所述OFDR光纤传感器穿过所述预留孔洞，所述空心悬挂轨内设置所述左铰接球与所述右铰接球，所述左铰接球位置固定，所述右铰接球在所述空心悬挂轨内自由滑动，所述下铰接球内部空心，所述左铰接球、所述右铰接球及所述下铰接球呈三角形分布。

上述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，监测方法包括：

步骤S1：制作所述OFDR光纤传感器及铰接球并检验可用性；

步骤S2：将所述OFDR光纤传感器内置于套管内部，并将所述OFDR光纤传感器的两端与所述铰接球连接；

步骤S3:将所述铰接球放置在所述空心悬挂轨内部，使得所述左铰接球在上空心悬挂轨位置固定，所述右铰接球在所述上空心悬挂轨中自由滑动，所述下铰接球在下空心悬挂轨中自由滑动；

步骤S4：对所述OFDR光纤传感器进行信号测量与扫描，自所述外部信号处理系统获得测量结果；

步骤S5：安装所述PLA管与所述Flex传感器；

步骤S6：将所述Flex传感器通过传感器信号采集线缆与所述数据处理系统连接，通过蓝牙无线发射装置连接所述数据处理系统中的数据采集传输装置与数据采集分析终端，获得所述Flex传感器的测量结果。

进一步的，在步骤S4中，所述OFDR光纤传感器需提前进行标定实验获得系数。

上述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，所述测压桶内设置所述内平台，所述空心悬挂轨包括上空心悬挂轨与下空心悬挂轨，所述上空心悬挂轨通过上悬挂轨连接件与所述测压桶的内上表面连接，所述下空心悬挂轨通过下悬挂轨连接件与所述内平台的上表面连接。

上述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，所述测压桶的上部设置外部承台，所述外部承台的下表面与传力臂固定连接，所述传力臂的下端与所述内平台固定连接。

上述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，测得的注浆压力为所述OFDR光纤传感器所受拉力与所述Flex传感器所受压力之和

其中，

所述数据处理系统的电脑终端收到的所述Flex传感器的示数分别为x₁和x₂，

两根所述PLA管长分别为L₁与L₂，

所述左OFDR传感器信号臂与所述右OFDR传感器信号臂之间的夹角为θ，θ与所述数据处理系统的电脑终端收到的所述Flex传感器的示数x之间的关系为θ＝f(x)，

S为所述Flex光纤传感器中的光纤长度，

k为所述OFDR光纤传感器通过标定实验得到的系数，

n为所述Flex光纤传感器中的光纤折射率变化量。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明基于OFDR光纤传感器与Flex传感器，利用瑞利散射光的频率信息进行设计，通过光纤的波长变化，得到OFDR光纤传感器每根光纤上的拉力大小，再通过两根光纤之间的夹角变化，得到作用测压桶内平台上的拉力大小，同时采用Flex传感器与内平台固定连接，通过角度变换测得注浆压力下Flex传感器的位移，从而得到作用在内平台的压力大小，叠加拉力与压力得出注浆压力大小，该过程采用了两根OFDR光纤传感器的光纤，在降低了误差的同时也降低了偶然性的出现，在确保高精度的同时，也可以测量较大的位移，相较于现有技术的监测系统更可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明的注浆压力监测系统的结构示意图。

图2为OFDR光纤传感器的部分结构示意图。

图3为Flex传感器角度变化前的结构示意图。

图4为Flex传感器角度变化后的结构示意图。

图5为测压桶内平台的受力示意图。

图6为信号处理系统的连接结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1.承压平台；2.传力臂；3.内平台；4.Flex传感器；51.上空心悬挂轨；52.下空心悬挂轨；61.上悬挂轨连接件；62.上悬挂轨连接件；63.下悬挂轨连接件；71.左铰接球；72.右铰接球；73.下铰接球；81.左OFDR传感器信号臂；82.右OFDR传感器信号臂；9.数据处理系统；91.数据采集传输装置；92.蓝牙无线发射装置；93.数据采集分析终端；10.外部信号处理系统。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定”或“设置”或“连接”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。

一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，如图1所示，测压桶的上部设置承压平台1，承压平台1的下表面通过传力臂2连接内平台3的上表面，注浆压力通过承压平台1经传力臂2将力传输至内平台3，故，内平台3的受力等于注浆压力。

如图1、图2所示，内平台3上方设置空心悬挂轨，空心悬挂轨包括上空心悬挂轨51与下空心悬挂轨52，上空心悬挂轨51通过上悬挂轨连接件(61、62)与测压桶的内上表面连接，下空心悬挂轨52通过下悬挂轨连接件63与内平台3的上表面连接。下空心悬挂轨52上设置可滑动的下铰接球73，上空心悬挂轨51上设置固定位置的左铰接球71与可滑动的右铰接球72，OFDR光纤传感器的左OFDR传感器信号臂81(内置参考光纤)自下铰接球73穿过左铰接球71的预留孔洞连接外部信号处理系统10，右OFDR传感器信号臂82(内置待测光纤)自下铰接球73穿过右铰接球72的预留孔洞连接外部信号处理系统10，外部信号处理系统10采集分析OFDR光纤传感器的测量结果。

如图1、图3、图6所示，内平台3的一侧设置两根PLA管，PLA管内预留安装槽，安装槽内设置Flex传感器4，两根PLA管铰接，其中一根PLA管的上端与测压桶的内平台3下表面连接，另一根PLA管的下端与测压桶的底面刚接，Flex传感器4穿过PLA管与数据处理系统9连接。数据处理系统9中的数据采集传输装置91与数据采集分析终端93通过蓝牙无线发射装置92连接，获得所述Flex传感器4的测量结果。数据采集分析终端93根据接收的数据信息分析，并根据接收的数据信息形成数据库，进行趋势分析。

如此，如图5所示，内平台3受力后对Flex传感器4产生压力，使得Flex传感器4发生角度变化，同时对下悬挂轨连接件63产生拉力，从而令空心悬挂轨上的铰接球发生滑动，使得OFDR光纤传感器受力，故而，通过测量Flex传感器4与OFDR光纤传感器的受力即可获得注浆压力。

OFDR光纤传感器中的光纤的应力胡克定律表示为

其中，σ_x,σ_y和σ_z为施加在光纤上的正应力，ε_x,ε_y和ε_z为正应力产生的正应变，Y是材料的杨氏模量，v为泊松比。

测压桶受到注浆压力时，压力通过桶内平台3传输使光纤受拉，产生轴向应变，因此，σ_x＝σ_y＝0，

F为轴向力，A为光纤的横截面积。

可以推出

光纤被拉伸后横截面积变小，弹性模量Y＝6.5×10¹⁰N/m²，v＝0.17。

光纤的折射率会随着应变的增加而变化，光纤折射率变化量为

其中，Δn_x,Δn_y为有效折射率变化量，p₁₁和p₁₂为弹光系数。

将公式(2)代入公式(3)中可得

通过(4)式可以得到

γ的有效弹光系数为γ＝-n²[(1-v)p₁₂-vp₁₁]/2，其中，p₁₁＝0.113,p₁₂＝0.252，n_eff为光纤的有效折射率。

对于石英材料来说n_eff＝0.456，γ＝-0.22，所以应变可表示为

ε_z＝2.072S/n (6)

其中，S为光纤长度，n为光纤折射率变化量，OFDR光纤传感器的两根光纤所受的拉力T₁、T₂分别为

T₁＝T₂＝Eε_z＝2.072LE/n (7)

通过标定实验可以得到作用在内平台3连接件上的力，进而获得作用在内平台3上的力，该力的大小与左OFDR传感器信号臂81、右OFDR传感器信号臂82之间的夹角θ有关，得出

其中，k为OFDR光纤传感器通过标定实验得到的系数。

Flex传感器4通过标定实验得出转动角度θ与收集数据x之间的关系为θ＝f(x)。如图3、图4所示，设转动角度θ的初始角度为α，由于受到注浆压力，转动后的角度为β，电脑终端收到的Flex传感器4示数分别为x₁和x₂，得到具体的转角值α＝f(x₁)和β＝f(x₂)。

由简单的几何知识可测出位移的变化，假设其中一根PLA管长为L₁，另一根PLA管长为L₂，则竖向位移为

ΔL＝L₂COS(α)-L₂COS(β) (9)

则可通过电脑终端传感器示数得

ΔL＝L₂COS[f(x₁)]-L₂COS[f(x₂)] (10)

通过实验可知Flex传感器4所受力与位移关系为

N＝f(ΔL)＝f(L₂COS[f(x₁)]-L₂COS[f(x₂)]) (11)

如图5所示，由简单的力的关系可知注浆压力为OFDR光纤传感器所受拉力与Flex传感器4所受压力之和

如此，便可得到注浆压力的大小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，包括OFDR光纤传感器、下铰接球、左OFDR传感器信号臂、左铰接球、右OFDR传感器信号臂、右铰接球、空心悬挂轨、外部信号处理系统、PLA管、Flex传感器及数据处理系统；

所述OFDR光纤传感器下端连接所述下铰接球，所述左OFDR传感器信号臂的上端连接所述左铰接球，所述左铰接球固定在所述空心悬挂轨内，所述右OFDR传感器信号臂的上端连接所述右铰接球，所述右铰接球内置于所述空心悬挂轨内并沿着所述空心悬挂轨滑动，所述OFDR光纤传感器的两端分别经所述左铰接球、所述右铰接球穿过所述空心悬挂轨连接所述外部信号处理系统；

所述PLA管内预留安装槽，所述安装槽内设置所述Flex传感器，两根所述PLA管铰接，其中一根所述PLA管的上端与测压桶的内平台下表面连接，另一根所述PLA管的下端与所述测压桶的底面刚接，所述Flex传感器穿过所述PLA管与所述数据处理系统连接。

2.根据权利要求1中所述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，所述OFDR光纤传感器包括参考光纤与待测光纤，所述参考光纤设置在所述左OFDR传感器信号臂内，所述待测光纤设置在所述右OFDR传感器信号臂内；

线性扫频激光器发出的连续光经过光纤耦合器进入所述下铰接球，其中一束所述连续光进入所述参考光纤，另一束所述连续光进入所述待测光纤，两束所述连续光的光程不同，所述参考光纤与所述待测光纤中的背向散射光携带不同的频率信息，两束所述背向散射光射到所述外部信号处理系统的光电检测器的光敏面上发生干涉现象，获得所述待测光纤携带的信息。

3.根据权利要求1中所述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，所述数据处理系统包括数据采集传输装置与数据采集分析终端，所述Flex传感器均通过传感器信号采集线缆与所述数据采集传输装置连接，所述数据采集传输装置与所述数据采集分析终端通过蓝牙无线发射装置连接。

4.根据权利要求1中所述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，所述OFDR光纤传感器外设置套管，所述套管内部设置有OFDR光纤，所述套管包括传感器部分和固定孔部分，所述OFDR光纤传感器位于所述套管中轴线位置处并预留一定长度在所述套管外。

5.根据权利要求1中所述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，所述下铰接球、所述左铰接球及所述右铰接球均设置有预留孔洞，所述OFDR光纤传感器穿过所述预留孔洞，所述空心悬挂轨内设置所述左铰接球与所述右铰接球，所述左铰接球位置固定，所述右铰接球在所述空心悬挂轨内自由滑动，所述下铰接球内部空心，所述左铰接球、所述右铰接球及所述下铰接球呈三角形分布。

6.根据权利要求1中所述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，监测方法包括：

步骤S1：制作所述OFDR光纤传感器及铰接球并检验可用性；

步骤S2：将所述OFDR光纤传感器内置于套管内部，并将所述OFDR光纤传感器的两端与所述铰接球连接；

步骤S3:将所述铰接球放置在所述空心悬挂轨内部，使得所述左铰接球在上空心悬挂轨位置固定，所述右铰接球在所述上空心悬挂轨中自由滑动，所述下铰接球在下空心悬挂轨中自由滑动；

步骤S4：对所述OFDR光纤传感器进行信号测量与扫描，自所述外部信号处理系统获得测量结果；

步骤S5：安装所述PLA管与所述Flex传感器；

步骤S6：将所述Flex传感器通过传感器信号采集线缆与所述数据处理系统连接，通过蓝牙无线发射装置连接所述数据处理系统中的数据采集传输装置与数据采集分析终端，获得所述Flex传感器的测量结果。

7.根据权利要求6中所述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，在步骤S4中，所述OFDR光纤传感器需提前进行标定实验获得系数。

8.根据权利要求1中所述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，所述测压桶内设置所述内平台，所述空心悬挂轨包括上空心悬挂轨与下空心悬挂轨，所述上空心悬挂轨通过上悬挂轨连接件与所述测压桶的内上表面连接，所述下空心悬挂轨通过下悬挂轨连接件与所述内平台的上表面连接。

9.根据权利要求1中所述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，所述测压桶的上部设置外部承台，所述外部承台的下表面与传力臂固定连接，所述传力臂的下端与所述内平台固定连接。

10.根据权利要求1中所述的一种基于OFDR和Flex传感器的注浆压力监测系统，其特征在于，测得的注浆压力为所述OFDR光纤传感器所受拉力与所述Flex传感器所受压力之和

其中，

所述数据处理系统的电脑终端收到的所述Flex传感器的示数分别为x₁和x₂，

两根所述PLA管长分别为L₁与L₂，

所述左OFDR传感器信号臂与所述右OFDR传感器信号臂之间的夹角为θ，θ与所述数据处理系统的电脑终端收到的所述Flex传感器的示数x之间的关系为θ＝f(x)，

S为所述Flex光纤传感器中的光纤长度，

k为所述OFDR光纤传感器通过标定实验得到的系数，

n为所述Flex光纤传感器中的光纤折射率变化量。

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