CN117704989A - 一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统及方法 - Google Patents
一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117704989A CN117704989A CN202311690198.6A CN202311690198A CN117704989A CN 117704989 A CN117704989 A CN 117704989A CN 202311690198 A CN202311690198 A CN 202311690198A CN 117704989 A CN117704989 A CN 117704989A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rock
- module
- optical fiber
- geological
- geology
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 111
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 92
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 claims description 43
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 21
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 18
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 17
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 13
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 9
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 claims description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 238000002168 optical frequency-domain reflectometry Methods 0.000 description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统及方法，测试系统包括光源模块、第一光纤耦合器、主干涉仪模块、辅助干涉仪模块、数据采集模块、数据处理模块、被测地质与岩土体模块和设备集成模块；本发明在测试时，在桩基、地下管道、边坡上布设光纤，将传感光纤受地质与岩土体作用产生的光学信号转化为地质与岩土体应变，由得出的绝对应变值计算出地质与岩土体的应力，利用应力和应变计算出被测岩土体的位移量，并将计算出的应力和位移量绘制成曲线，得出地质与岩土体在空间和时间上的物理参数的变化。本发明提高了传统光纤测试仪的测量范围，与岩土工程传统监测系统相比，本发明具有精度高、测量范围大、数据处理智能化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及地质与岩土工程领域中的测试系统，尤其涉及一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统及方法。
背景技术
目前，地质与岩土工程灾害问题频发，因此对地质与岩土工程监测的手段尤为重要。在地质与岩土工程领域，传统的监测手段多采用电阻式传感器，电阻式传感器为点式监测，存活率低，集成化和自动化程度低，难以进行长时间的连续监测。
除此以外，传统传感器或监测装置，如轴力计、应变片受外界干扰较大，尤其在复杂的野外环境，不防水且易因电磁干扰导致损坏。传统方法的不足给地质与岩土工程灾害的预警和防治带来巨大的挑战，亟需采用更加先进、智能和完备的新一代感测技术，对地质与岩土体进行更加精准的实时监测。
光纤智能传感技术作为一种新兴的分布式监测技术，在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部介质物理参量进行连续的测量，通过被测参量与光纤位置长度的关系，实时获取被测物理参量的时空变化信息；光纤既是传输通道又是感测介质，具有体积小、防水性能好、抗电磁干扰、电绝缘性好、分布式测量等诸多优点。但是，如何采用OFDR光纤技术精准的监测地质与岩土体的细微变化，是亟需解决的技术问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足之处，本发明提出一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统及方法，获得被测地质与岩土体的变形，适用于地质与岩土工程应力场、位移场多场参数监测，解决传统监测设备及方法存在的不足，更加智能、高效、可靠地监测地质与岩土体长期变形特征。
技术方案：本发明基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统包括光源模块、第一光纤耦合器、主干涉仪模块、辅助干涉仪模块、数据采集模块、数据处理模块、被测地质与岩土体模块和设备集成模块；
光源模块发出波长周期性线性变化的扫频激光；扫频激光通过第一光纤耦合器进入主干涉仪模块和辅助干涉仪模块；进入主干涉仪模块内的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；进入辅助干涉仪模块内的扫频光发生差频干涉，产生第二拍频信号；
主干涉仪模块包括第二光纤耦合器、单模环形器、偏振调节器、第三光纤耦合器、偏振分束器、第一光电探测器和第二光电探测器；
辅助干涉仪模块包括单模环形器、第四光纤耦合器、第一光纤法拉第反射镜、第二光纤法拉第反射镜、单模光纤线圈和第三光电探测器；
数据采集模块采集主干涉仪模块和辅助干涉仪模块产生的待处理信号；数据处理模块对采集到的待处理信号进行处理分析。
被测地质与岩土体模块包括桩基、管道和边坡。
设备集成模块包括机箱、把手、温度显示屏、电源开关和触摸操作屏。
触摸操作屏包括监测结果显示界面、参考设置界面、参数显示界面、采集操作界面和光标功能界面。
本发明基于传感光纤的地质与岩土体变形测试方法，采用基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统实施，该测试方法包括以下步骤：
(1)将传感光纤布设在被测地质与岩土体表面；光源模块发出的扫频激光通过第一光纤耦合器进入主干涉仪模块和辅助干涉仪模块；主干涉仪模块对进入的扫频激光进行拍频干涉产生第一拍频信号，过程为：进入主干涉仪模块的扫频激光经过第二光纤耦合器后，一部分扫频激光进入偏振调节器中形成参考光，另外一部分扫频激光进入单模环形器中形成测试光，测试光从单模环形器的a口输入，从b口输出到布设在被测地质与岩土体上的传感光纤中；受到外部荷载作用的传感光纤产生背向瑞利散射信号沿着b，通过环形器c口返回，并在第三光纤耦合器中与参考光拍频；接着偏振分束器将耦合的测试光和参考光分解为两路相互正交的线偏振光S光和P光，S光在第一光电探测器中进行拍频干涉，P光在第二光电探测器中进行拍频干涉；
辅助干涉仪模块对进入的扫频激光进行差频干涉产生第二拍频信号，过程为：进入辅助干涉仪模块的一部分扫频激光经过单模环形器和第四光纤耦合器后进入第一光纤法拉第反射镜后形成第一路光信号，另一部分扫频激光进入第二光纤法拉第反射镜后形成第二路光信号；第一路光信号和第二路光信号发生拍频干涉产生第二拍频信号，第二拍频信号通过光电探测器转换为电信号后作为外时钟信号；
(2)在对被测地质与岩土体加载或测试前，采集光纤初始信号，获取第一组瑞利散射谱并保存为g0(t)；
(3)将第一组瑞利散射谱g0(t)作为测量的参考信号f(1)，通过数据处理模块(6)将参考信号f(1)的数据转换到距离域；然后根据设定的空间分辨率选取滑动窗，利用滑动窗在正负频域两端截取相应的频域数据；最后通过反傅里叶变换将参考信号f(1)的数据转换到谱域；
(4)对采集的测试信号g(1)进行步骤(3)的操作，然后将参考信号f(1)和测试信号g(1)进行互相关分析，得出相对波长偏移量Δλ；所述相对波长偏移量为两次测量结果中光信号波长的偏移量；
(5)将上一次的测试结果g(i-1)记为下一次测试的参考f(i)，并重复上述步骤(3)和(4)，形成一个动态参考，同时生成多个相对波长偏移量；
(6)将所有的单次相对波长偏移量进行累加计算出绝对波长偏移量λ，再乘以应变灵敏度系数S得到地质与岩土体绝对应变值ε；
(7)利用绝对应变值ε计算出地质与岩土体的应力σ；利用应力和应变计算出被测岩土体的位移量。
步骤(7)中，将计算出的应力和位移量绘制成曲线，得出地质与岩土体在空间和时间上的物理参数的变化。
步骤(3)中，地质与岩土体出现岩体开裂识别、边坡滑动识别的大应变时，将大应变分为n个区间，将第i-1子区的测量瑞利散射谱g(i-1)作为第i子区的参考瑞利散射谱f(i)，对第i子区间的散射谱进行互相关分析获得所述i子区间对应的相对波长偏移量Δλ，所有区间内的相对波长偏移量Δλ累加为对应的绝对波长偏移量λ，通过乘以应变灵敏度系数S得出被测地质与岩土体的大应变值ε，最后计算出地质与岩土体的应力和位移量。
步骤(3)中，通过数据处理模块(6)中傅里叶算法将参考信号f(1)的数据转换到距离域。
步骤(7)中，利用应变值ε计算出地质与岩土体的应力σ:σ＝Eε，其中，σ为应力，单位为帕斯卡Pa；E为被测岩土体弹性模量，单位为帕斯卡Pa；ε为应变。
步骤(5)中，在动态参考的测试过程中，单次的测量值≦量程。
工作原理：光频域反射OFDR技术如本发明采用的OFDR光纤具有分辨率高、测量精度大、抗电磁干扰以及环境适应力强的优点。光频域反射技术凭借着测量精度高、空间分辨率高的特点，在短距离测量与传感中具有显著优势。
在地质与岩土工程精细化监测中，本发明采用地质与岩土体变形测试系统，将光纤传感器受地质与岩土体作用产生的光学信号转化为地质与岩土体应变信息，再结合地质与岩土工程与材料力学知识将应变信息转化为地质与岩土体的应力、位移多物理参数，获得地质与岩土工程时空变化信息。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用光纤监测的高精度和分布式的特点，精准的监测地质与岩土体的细微变化，获得被测地质与岩土体的变形，并以图表形式动态实时显示，提高了地质与岩土工程设计和安全预警的水平。
(2)本发明方法中的步骤(3)至(5)中采用的大应变分布解调方法通过将前一次测试结果作为后一次测试的参考信号进行多次循环测量，提高了光纤测试仪的应变测量范围，避免了一次测试结果超过波长偏移量量程，利用多次的相对波长偏移量计算最终的绝对波长偏移量，通过不断累加测试出超过单次采集量程的结果，进而满足大应变监测的需求，具有精度高、测量范围大、数据处理智能化的优点。
附图说明
图1为本发明基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统结构示意图；
图2为本发明的设备集成模块结构示意图；
图3为本发明所采用的大应变分步测量方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统包括光源模块1、第一光纤耦合器2、主干涉仪模块3、辅助干涉仪模块4、数据采集模块5、数据处理模块6、被测地质与岩土体模块7和设备集成模块8。本发明采用的光纤技术为OFDR光纤技术。
其中，光源模块1发出波长周期性线性变化的扫频激光。第一光纤耦合器2将扫频激光分成两路，分别进入主干涉仪模块3和辅助干涉仪模块4。主干涉仪模块3使进入的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号。辅助干涉仪模块4使进入的扫频激光发生差频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号通过光电探测器转换为电信号后，将作为后续采集模块进行外部时钟采样时的拍频外时钟信号。
数据采集模块5，采集主干涉仪模块3和辅助干涉仪4模块产生的待处理信号。数据处理模块6对采集到的信号进行处理分析，得到地质与岩土体所需的传感结果。设备集成模块将光源模块1、主干涉仪模块3、辅助干涉仪模块4、采集模块5和数据处理模块6集成于带有计算机系统和触摸屏的机箱中形成地质与岩土体光纤测试仪。
光源模块1为高扫频范围和扫频速率的可调谐激光器，选取的波长范围为1535～1555nm，线宽为1.5MHz，扫频速率为2000nm/s，触发方式为光源起始扫描触发的外触发模式，其中高的扫频速率降低了系统的传感时间，而窄线宽实现了精度更高的空间分辨率。
本实施例中，第一光纤耦合器2为90:10保偏耦合器，使得90％的光进入主干涉仪模块3，10％的光进入辅助干涉仪模块4。
主干涉仪模块3包括第二光纤耦合器3-1、单模环形器3-2、偏振调节器3-3、第三光纤耦合器3-4、偏振分束器3-5、第一光电探测器3-6和第二光电探测器3-7；第二光纤耦合器3-1和第三光纤耦合器3-4均为50:50单模耦合器。
辅助干涉仪模块4包括单模环形器4-1、第四光纤耦合器4-2、第一光纤法拉第反射镜4-3、第二光纤法拉第反射镜4-4、单模光纤线圈4-5和第三光电探测器4-6；其中，第四光纤耦合器4-2为2*2耦合器；单模光纤线圈4-5的长度为500m，即单模光纤线圈4-5的长度至少为测试的传感光纤长度的两倍。
数据采集模块5为一张数据采集卡，与第一光电探测器3-6、第二光电探测器3-7和第三光电探测器4-6连接，用于利用辅助干涉仪模块4生成的拍频外时钟信号对地质与岩土体上的传感光纤中产生的背向瑞利散射信号进行采集，形成时域数据。
数据处理模块6通过傅里叶变换将数据采集模块5采集到的随时间变化的时域数据转化到频域，进而解调出对应于被测地质与岩土体的变形大小和受力位置，把光纤传感器受地质与岩土体作用产生的光学信号转化为地质与岩土体应变信息，再将地质与岩土体应变信息转化为地质与岩土体的应力、位移多物理量参数。
被测地质与岩土体模块7包括监测对象桩基7-1、管道7-2、边坡7-3类的地质与岩土体，以及传感光纤7-4。传感光纤7-4根据监测需求布设在被测地质与岩土体表面，且传感光纤7-4与地质与岩土体的变形协调一致。
光源模块1发出的光经过第一光纤耦合器2后，90％的光进入主干涉仪模块3中，其余的10％的光进入辅助干涉仪模块4中。进入主干涉仪模块3的扫频激光经过第二光纤耦合器3-1后，50％的光进入偏振调节器3-3中形成参考光，另外50％的光进入单模环形器3-2形成测试光，测试光从单模环形器3-2的a口输入，b口输出到布设在被测地质与岩土体上的传感光纤7-4中。受到外部荷载作用的地质与岩土体上的传感光纤7-4中产生背向瑞利散射信号沿着b，通过环形器c口返回，并在第三光纤耦合器3-4中与参考光进行拍频，接着偏振分束器3-5将耦合在一起的测试光和参考光分解为两路相互正交的线偏振光S光和P光，即S光在第一光电探测器3-6中进行拍频干涉，P光在第二光电探测器3-7中进行拍频干涉，从而消除测试路信号偏振态变化引起的偏振衰落效应。
进入辅助干涉仪模块4的光经过单模环形器4-1和第四光纤耦合器4-2后进入第一光纤法拉第反射镜4-3和第二光纤法拉第反射镜4-4，其中，第一路光信号是从第四光纤耦合器4-2进入第一光纤法拉第反射镜4-3的光纤路径；第二路光信号是从第四光纤耦合器4-2进入第二光纤法拉第反射镜4-4的光纤路径。由于两路光纤的长度不同，这两路光信号到达右侧法拉第反射镜时的频率也不同，从而发生拍频干涉产生第二拍频信号，该第二拍频信号通过光电探测器4-6转换为电信号后，将作为后续数据采集模块进行外部时钟采样时的外时钟信号。
数据采集模块5利用辅助干涉仪模块4生成的拍频外时钟信号对地质与岩土体上的传感光纤中产生的背向瑞利散射信号进行采集，然后传送至数据处理模块6，通过记录传感光纤中光信号的绝对波长偏移量计算被测地质与岩土体的变形大小，通过记录传感光纤中光信号的的突变处确定被测地质与岩土体的受力位置，利用绝对波长偏移量乘以应变灵敏度系数变将光纤传感器受地质与岩土体作用产生的光学信号转化为地质与岩土体应变大小，再结合地质与岩土工程与材料力学知识将其转化为地质与岩土体的应力、温度、位移多物理参数。
如图2所示，设备集成模块8为一个设备集成化封装装置，将光源模块1、主干涉仪模块3、辅助干涉仪模块4、数据采集模块5和数据处理模块6封装集成于一个带有计算机系统和触摸屏的机箱中形成一款地质与岩土工程高精度光纤测试仪。该设备集成模块8包括机箱8-1、搬运把手8-2、温度显示屏8-3、电源开关8-4和液晶触摸操作屏8-5。液晶触摸操作屏8-5中涉及一些功能窗口，包括监测结果显示界面8-6、参考设置界面8-7、参数显示界面8-8、采集操作界面8-9和光标功能界面8-10。机箱8-1的背部包括散热风口8-11、电源接口8-12以及连接传感光纤的测试接口8-13，经过集成化后的系统更加智能化、便携、简单易操作，便于对地质与岩土体进行长期的安全性监测。
本发明基于传感光纤的地质与岩土体变形测试方法包括以下步骤：
(1)根据监测需求将传感光纤7-4布设在被测地质与岩土体表面，确保传感光纤7-4和被测地质与岩土体表面贴合，同时对传感光纤进行保护；然后将传感光纤7-4与测试接口8-13连接。光源模块1发出的扫频激光通过第一光纤耦合器2进入主干涉仪模块3和辅助干涉仪模块4；主干涉仪模块3对进入的扫频激光进行拍频干涉产生第一拍频信号；过程为：进入主干涉仪模块3的扫频激光经过第二光纤耦合器3-1后，一部分扫频激光进入偏振调节器3-3中形成参考光，另外一部分扫频激光进入单模环形器3-2中形成测试光，测试光从单模环形器3-2的a口输入，从b口输出到布设在被测地质与岩土体上的传感光纤7-4中；受到外部荷载作用的传感光纤7-4中产生背向瑞利散射信号沿着b，并通过环形器c口返回，并在第三光纤耦合器3-4中与参考光进行拍频，接着偏振分束器3-5将耦合在一起的测试光和参考光分解为两路相互正交的线偏振光S光和P光，最后分别在第一光电探测器3-6和第二光电探测器3-7中进行拍频干涉，即S光在第一光电探测器3-6中进行拍频干涉，P光在第二光电探测器3-7中进行拍频干涉。
辅助干涉仪模块4对进入的扫频激光进行差频干涉产生第二拍频信号，过程为：进入辅助干涉仪模块4的一部分扫频激光经过单模环形器4-1和第四光纤耦合器4-2后进入第一光纤法拉第反射镜4-3后形成第一路光信号，另一部分扫频激光进入第二光纤法拉第反射镜4-4后形成第二路光信号；第一路光信号和第二路光信号发生拍频干涉产生第二拍频信号，所述第二拍频信号通过光电探测器4-6转换为电信号后作为外时钟信号；
(2)在对被测地质与岩土体加载或测试前，采集光纤初始信号，获取第一组瑞利散射谱并保存为g0(t)；
(3)将第一组瑞利散射谱g0(t)作为测量的参考信号f(1)，通过数据处理模块6中傅里叶算法将参考信号f(1)的数据转换到距离域；然后根据设定的空间分辨率选取相应大小的滑动窗，利用滑动窗在正负频域两端截取相应的频域数据；最后通过反傅里叶变换将参考信号f(1)的数据转换到谱域；
(4)对正式采集的测试信号g(1)进行步骤(3)中数据转换的操作，然后将参考信号f(1)和测试信号g(1)进行互相关分析找到二者之间的相关性，得出相对波长偏移量Δλ；其中，相对波长偏移量为前后两次测量结果中光信号波长的偏移量；
(5)将上一次的测试结果g(i-1)记为下一次测试的参考f(i)，并重复上述步骤(3)和(4)，形成一个动态参考，同时生成多个相对波长偏移量；
(6)将所有的单次相对波长偏移量进行累加计算出绝对波长偏移量λ，再乘以应变灵敏度系数S得到最终的地质与岩土体绝对应变值ε；
(7)利用绝对应变值ε计算出地质与岩土体的应力σ，应力和应变之间的关系用以下公式表示：σ＝Eε其中，σ为应力，单位为帕斯卡(Pa)；E为被测岩土体弹性模量，单位为帕斯卡(Pa)；ε为应变。利用应力和应变计算出被测岩土体的位移量，并将计算出的应力和位移量绘制成曲线，得出地质与岩土体在空间和时间上的物理参数的变化规律。
其中，步骤(3)、(4)、(5)的过程为通过对信号数据进行正反傅里叶变换、互相关分析以及将前一次测试结果作为后一次测试的参考信号进行多次循环测量，避免了一次测试结果超过波长偏移量量程，利用多次的相对波长偏移量计算最终的绝对波长偏移量，通过不断累加测试出远超过设备单次采集量程的结果。
步骤(1)中，在地质与岩土体表面布设传感光纤时，传感光纤与地质与岩土体贴合，保证传感光纤和地质与岩土体的变形协调一致，光纤的弯曲曲率在设定范围内，减小损耗，保证监测结果的可靠性。
步骤(5)中，在每一个动态参考的测试过程中，单次测量值≦量程，经过多次累加实现对超过测试仪量程的大应变进行分步测量。
如图3所示，对于地质与岩土体出现特殊情况，比如岩体开裂识别、边坡滑动识别的大应变时，将大应变分为n个区间，且所有子区间内的相对应变在测试仪测量范围和互相关分析的容错范围内。在数据处理过程中，将第i-1子区的测量瑞利散射谱g(i-1)作为第i子区的参考瑞利散射谱f(i)，通过第i子区间的散射谱进行互相关分析获得该子区间对应的相对波长偏移量Δλ，进而，所有区间内的相对波长偏移量Δλ累加为对应的绝对波长偏移量λ，通过乘以应变灵敏度系S数得出被测地质与岩土体的大应变值ε，最后计算出地质与岩土体的应力和位移多物理量参数。
Claims (10)
1.一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统，其特征在于：包括光源模块(1)、第一光纤耦合器(2)、主干涉仪模块(3)、辅助干涉仪模块(4)、数据采集模块(5)、数据处理模块(6)、被测地质与岩土体模块(7)和设备集成模块(8)；
所述光源模块(1)发出波长周期性线性变化的扫频激光；所述扫频激光通过第一光纤耦合器(2)进入主干涉仪模块(3)和辅助干涉仪模块(4)；进入所述主干涉仪模块(3)内的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；进入所述辅助干涉仪模块(4)内的扫频光发生差频干涉，产生第二拍频信号；
所述主干涉仪模块(3)包括第二光纤耦合器(3-1)、单模环形器(3-2)、偏振调节器(3-3)、第三光纤耦合器(3-4)、偏振分束器(3-5)、第一光电探测器(3-6)和第二光电探测器(3-7)；
所述辅助干涉仪模块(4)包括单模环形器(4-1)、第四光纤耦合器(4-2)、第一光纤法拉第反射镜(4-3)、第二光纤法拉第反射镜(4-4)、单模光纤线圈(4-5)和第三光电探测器(4-6)；
所述数据采集模块(5)采集主干涉仪模块(3)和辅助干涉仪模块(4)产生的待处理信号；所述数据处理模块(6)对采集到的待处理信号进行处理分析。
2.根据权利要求1所述的基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统，其特征在于：所述被测地质与岩土体模块(7)包括桩基、管道和边坡。
3.根据权利要求1所述的基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统，其特征在于：所述设备集成模块(8)包括机箱(8-1)、把手(8-2)、温度显示屏(8-3)、电源开关(8-4)和触摸操作屏(8-5)。
4.根据权利要求1所述的基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统，其特征在于：触摸操作屏(8-5)包括监测结果显示界面(8-6)、参考设置界面(8-7)、参数显示界面(8-8)、采集操作界面(8-9)和光标功能界面(8-10)。
5.一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统实施，所述测试方法包括以下步骤：
(1)将传感光纤(7-4)布设在被测地质与岩土体表面；光源模块(1)发出的扫频激光通过第一光纤耦合器(2)进入主干涉仪模块(3)和辅助干涉仪模块(4)；主干涉仪模块(3)对进入的扫频激光进行拍频干涉产生第一拍频信号，过程为：进入主干涉仪模块(3)的扫频激光经过第二光纤耦合器(3-1)后，一部分扫频激光进入偏振调节器(3-3)中形成参考光，另外一部分扫频激光进入单模环形器(3-2)中形成测试光，测试光从单模环形器(3-2)的a口输入，从b口输出到布设在被测地质与岩土体上的传感光纤(7-4)中；受到外部荷载作用的传感光纤(7-4)产生背向瑞利散射信号沿着b，通过环形器c口返回，并在第三光纤耦合器(3-4)中与参考光拍频；接着偏振分束器(3-5)将耦合的测试光和参考光分解为两路相互正交的线偏振光S光和P光，S光在第一光电探测器(3-6)中进行拍频干涉，P光在第二光电探测器(3-7)中进行拍频干涉；
辅助干涉仪模块(4)对进入的扫频激光进行差频干涉产生第二拍频信号，过程为：进入辅助干涉仪模块(4)的一部分扫频激光经过单模环形器(4-1)和第四光纤耦合器(4-2)后进入第一光纤法拉第反射镜(4-3)后形成第一路光信号，另一部分扫频激光进入第二光纤法拉第反射镜(4-4)后形成第二路光信号；第一路光信号和第二路光信号发生拍频干涉产生第二拍频信号，所述第二拍频信号通过光电探测器(4-6)转换为电信号后作为外时钟信号；
(2)在对被测地质与岩土体加载或测试前，采集光纤初始信号，获取第一组瑞利散射谱并保存为g0(t)；
(3)将第一组瑞利散射谱g0(t)作为测量的参考信号f(1)，通过数据处理模块(6)将参考信号f(1)的数据转换到距离域；然后根据设定的空间分辨率选取滑动窗，利用滑动窗在正负频域两端截取相应的频域数据；最后通过反傅里叶变换将参考信号f(1)的数据转换到谱域；
(4)对采集的测试信号g(1)进行步骤(3)的操作，然后将参考信号f(1)和测试信号g(1)进行互相关分析，得出相对波长偏移量Δλ；所述相对波长偏移量为两次测量结果中光信号波长的偏移量；
(5)将上一次的测试结果g(i-1)记为下一次测试的参考f(i)，并重复上述步骤(3)和(4)，形成一个动态参考，同时生成多个相对波长偏移量；
(6)将所有的单次相对波长偏移量进行累加计算出绝对波长偏移量λ，再乘以应变灵敏度系数S得到地质与岩土体绝对应变值ε；
(7)利用绝对应变值ε计算出地质与岩土体的应力σ；利用应力和应变计算出被测岩土体的位移量。
6.根据权利要求5所述的基于传感光纤的地质与岩土体变形测试方法，其特征在于：步骤(7)中，将计算出的应力和位移量绘制成曲线，得出地质与岩土体在空间和时间上的物理参数的变化。
7.根据权利要求5所述的基于传感光纤的地质与岩土体变形测试方法，其特征在于：步骤(3)中，所述地质与岩土体出现岩体开裂识别、边坡滑动识别的大应变时，将大应变分为n个区间，将第i-1子区的测量瑞利散射谱g(i-1)作为第i子区的参考瑞利散射谱f(i)，对第i子区间的散射谱进行互相关分析获得所述i子区间对应的相对波长偏移量Δλ，所有区间内的相对波长偏移量Δλ累加为对应的绝对波长偏移量λ，通过乘以应变灵敏度系数S得出被测地质与岩土体的大应变值ε，最后计算出地质与岩土体的应力和位移量。
8.根据权利要求5所述的基于传感光纤的地质与岩土体变形测试方法，其特征在于：步骤(3)中，通过数据处理模块(6)中傅里叶算法将参考信号f(1)的数据转换到距离域。
9.根据权利要求5所述的基于传感光纤的地质与岩土体变形测试方法，其特征在于：步骤(7)中，利用应变值ε计算出地质与岩土体的应力σ:σ＝Eε，其中，σ为应力，单位为帕斯卡Pa；E为被测岩土体弹性模量，单位为帕斯卡Pa；ε为应变。
10.根据权利要求5所述的基于传感光纤的地质与岩土体变形测试方法，其特征在于：步骤(5)中，在动态参考的测试过程中，单次的测量值≦量程。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311690198.6A CN117704989A (zh) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | 一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311690198.6A CN117704989A (zh) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | 一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117704989A true CN117704989A (zh) | 2024-03-15 |
Family
ID=90150795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311690198.6A Pending CN117704989A (zh) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | 一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117704989A (zh) |
-
2023
- 2023-12-11 CN CN202311690198.6A patent/CN117704989A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103123285B (zh) | 基于混沌激光相干法的分布式光纤传感装置及其测量方法 | |
| CN103364070B (zh) | 一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统 | |
| CN107238412B (zh) | 一种同时监测振动、应力、温度的分布式光纤传感器 | |
| CN102384799B (zh) | 基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法 | |
| CN102589748B (zh) | 基于光纤瑞利与布里渊原理的环境温度测量方法 | |
| CN100445697C (zh) | 一种光纤f-p传感器的腔长解调算法 | |
| Rosolem et al. | Fiber optic bending sensor for water level monitoring: Development and field test: A review | |
| CN109595470B (zh) | 一种分布式管道检测方法 | |
| CN103033285A (zh) | 一种已敷设光电复合缆的温度和应变同时测量方法 | |
| Zhou et al. | Chaos Raman optical time-domain reflectometry for millimeter-level spatial resolution temperature sensing | |
| CN101520509B (zh) | 混沌光时域波形帧间比较测距方法 | |
| CN113218320B (zh) | 一种基于距离域补偿的ofdr大应变测量方法 | |
| CN205912061U (zh) | 一种光纤故障检测系统 | |
| CN107356275A (zh) | 一种光频域反射光纤分布式传感中提高光谱分辨率的方法 | |
| CN111579048B (zh) | 一种基于滑动时间选通的ofdr系统振动检测方法 | |
| CN113654580A (zh) | 一种同时测量温度与应变的光频域反射系统 | |
| CN107631814B (zh) | 光自相干传感光路结构、频移变化检测方法和传感装置 | |
| CN117704989A (zh) | 一种基于传感光纤的地质与岩土体变形测试系统及方法 | |
| RU2428682C1 (ru) | Способ теплового неразрушающего контроля теплотехнического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов | |
| CN112461148B (zh) | 用于结构应变监测的分布式协同传感装置及方法 | |
| Liu et al. | Optical fiber sensors for landslide monitoring | |
| Chen et al. | Optimization Strain Accuracy for Distributed Sensing based on Optical Frequency Domain Reflectometry | |
| CN114739308B (zh) | 一种结合时域与频域分析的分布式光纤传感器及其应用 | |
| Bogachkov et al. | Distributed fiber-optic sensors based on principle of stimulated brillouin scattering | |
| CN107764434B (zh) | 基于fp标准具的fbg温度传感器响应测量方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |