CN201028977Y - 基于复合光纤装置的多参数检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的基于复合光纤装置的多参数检测仪包括复合光纤装置及接收处理信号的主机；复合光纤装置包括基材及以基材为载体的光纤，基材具有至少一个受力承载面，在所述承载面的正面或/和反面上安装至少一根光纤，所述光纤随受力承载面的形变而产生输出信号改变。可实时采集三维力学信息，实现变形(包括应力、应变)及移(运)动方向的同步检测，所述复合光纤装置可布设超声探头、水(声)听器、多种传感器等设备，实现被测体三维力学、形变、位移、温度、湿度、压力、密度、声波信号、结构性状等综合信息的实时采集，达到多参数监测，为滑坡等地质灾害、隧道、大坝、桥梁等构筑物的稳定监测提供实时遥测、准确有效的预测新技术和手段。

Description

基于复合光纤装置的多参数检测仪

技术领域

本实用新型涉及复合光纤装置实时采集三维力学信息，实现变形(包括应力、应变)及移(运)动方向同步检测的技术，根据检测需要，所述复合光纤装置可同时布设超声探头、水听器、声听器、压力监测、各种传感器等设备，研制为基于复合光纤装置的多参数检测仪，实现被测体变形、位移方向、温度、湿度、压力、密度、声波信号等多参数信息实时获取，为滑坡等地质灾害、隧道和大坝等构筑物的稳定性监测提供实时遥测、准确有效的预测新技术和手段。

背景技术：

我国地理条件复杂，滑坡等边坡失稳灾害发生频次高、受灾面广，是世界上地质灾害最严重的国家之一。据不完全统计，我国仅2005、2006两年便发生边坡失稳、地面塌陷、地裂缝等地质灾害近11万余起，致1200余人死亡，近800人受伤，200多人失踪，直接经济损失80亿元。地质灾害已成为威胁人民生命财产安全、影响国计民生的最主要自然灾害之一，准确有效的监测、早期预知、及时防范无疑是减轻灾害损失最有效的途径。

分布式、实时、远程获知地质体内部力学信息，及时准确判断灾害前岩体、土体的异常状态，是有效监测边坡、大坝、隧道、地基等稳定的基本保证。在现有的中观层面监测方法中，地球物理方法和测斜仪(倾斜仪)可以比较准确地确定运动方向，但实时性测量和遥测效果较差，而且仪器本身价格昂贵(国外倾斜仪售价达$8000/台，其导管只能使用一次，售价达$30-50/m)，难以广泛推广。同轴电缆和光纤都可以实现实时和远程获取数据，预测各种原因产生的变形，是最近研究的热点，国外材性较好的同轴电缆达$13/m，其连接件达$100/个，国内的材料价格相对较低，但材性与国外的相差较大，现在还主要集中在室内实验阶段；而且同轴电缆不能确定移(运)动方向，标定缺陷能力不足，有学者建议在同轴电缆上以固定间隔作初始缺陷，但该方法的精度需要提高；基于同轴电缆的时域反射(TDR)监测技术国外有成功报道，但该方法在无剪切力作用时敏感性差，初始精度高、行程大的测量不能同时被实现。

光时域反射技术(BOTDR)因其诸多优点：光信号损耗小，最大测距达80km，可判断缺陷位置等，逐步在土木工程领域广泛运用。单根光纤价格低廉，能比较方便地确定变形的位置，无需做初始缺陷，已有学者尝试将单根光纤用于边坡稳定监测，经室内试验验证了可行性。但其测量行程很小，仅为3mm，不能进行大形变(位移)的监测，而且也不能确定移(运)动方向；现有的光纤编织复合材料是将光纤缠绕在尼龙筋等材料上埋入被测体测量变形，具有大应变测量等优点，在航空航天领域应用较多，在边坡、大坝等领域未见应用，而且它仍不能确定运动产生的方向。

我国在该领域的原创研究起步较晚，TDR及BOTDR的应用都还处于实验室阶段，某些核心技术受制于国外是设备价格高昂、监测成本过高的主要原因。而且目前国内外的实时监测技术和方法都不能确定滑体的滑移量；因此，为边坡、大坝、隧道、地基等稳定监测寻找新的有效方法和仪器意义重大！

发明的内容

为了弥补现有监测技术和仪器存在的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于复合光纤装置多参数检测仪。该基于复合光纤装置多参数检测仪具有：较高的初始测量精度、能判定移(运)动方向、对无剪切作用仍然敏感性高、具有较大测量行程可以实现大形变(位移)监测等功能，设置多种传感器或超声探头、声(水)听器可实现被测物体三维空间不同层面的力学、位移、温度、湿度、密度、结构性状等多参数信息实时采集，利用现有的数据采集、储存、计算机智能分析技术，对目标物体内部状态和性质进行准确的综合判断，为后续决策提供准确、及时的信息。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是这样的：即一种基于复合光纤装置的多参数检测仪，包括复合光纤装置及接收处理信号的主机；其特征是：复合光纤装置包括基材及以基材为载体的光纤，其中基材具有受力承载面，在所述承载面的正面或/和反面上安装至少一根光纤，所述光纤随受力承载面的形变而产生输出信号的改变。

所述基材为可以相互连接的单元体，所述基材单元体之间通过连接而构成具有多受力承载面的立体形状，如圆柱体、多面柱或多面体。所述立体形状的长度可以通过基材单元的连接得到延伸。通过不同受力承载面上光纤因受到拉压而产生输出信号改变，来判定受力的方向。

上述基材上设置有传感器，它们选自温度、湿度、压力、位移、应变、密度等传感器中的至少一种。所述基材上还设置有超声探头、声听器、水听器中的至少一种。它们通过导线与主机连接。

使用时，上述具有多受力承载面的立体形状基材的中空部分装有填充材料，其外围包裹灌浆材料。

所述主机由光纤多路复用装置、光纤行程记录仪(根据监测需要取舍)、光发生器、接收装置(如光功率计等)、匹配电源电路、主机CPU、显示装置、控制面板等组成，并配备有相应的分析软件、图像储存及回放装置。上述装置的工作原理是：光发生器发射稳定光源，复合光纤装置中的光纤完成信息的采集，光纤行程记录仪记录在荷载作用下光纤的运动距离，主机CPU负责对采集到的信息进行加工、处理、分析、计算；根据监测需要，在主机CPU控制下，通过控制面板上的操控系统可启动或切换到不同参数的检测模式，使配备的超声探头、水听器、声听器、各种传感器等设备分别采集相应的信息，采集的信息输入主机CPU，利用计算机相应的软件分析系统及图像处理技术，综合后得到检测体一种或多种光、电、声、压力、密度、温度等资料，实现多参数信息采集、数据智能化处理、结果显示一体化，全面准确判断被测体的异常状态、早期预警、早期预防。

本实用新型在进行监测应用时，将复合光纤装置基材单元体根据需要按一定大小和形状拼接在一起，当基材只有一个受力承载面时，可以预埋在需要随时监测已知压力方向的受力情况的建筑构件或建筑体中，如建筑预制件、道路、桥梁等部位；当基材被拼接成立体形状，具有若干个受力承载面时，可以埋在随时需要检测未知压力方向及受力情况的建筑体或地质体中，如处于环境比较复杂的道路、大坝、滑坡地带等，由于复合光纤装置的每个受力承载面在埋入被测体前进行了方位的标定，并事先将不同承载面的光纤编号，安装在每个受力承载面上的光纤即代表了不同的方位，当被测体受荷产生变形，传递至复合光纤装置受荷、变形，只要所述基材的受力承载面稍有变形改变，光纤受荷载后会产生微弯损耗，引起光纤微弯扰动物理量的变化，光功率计便可测知很微小的输出信号改变，从而使本复合光纤装置可监测到受力承载面受到的微小压力，如感知到滑坡滑动面上很微小的位移，使其具有较高的初始测量精度；光纤根据不同的变形程度产生不同的微弯损耗或弯曲损耗，随着荷载的增加，光纤连同基材共同在水、空气或其他填充材料内运动一段距离，先产生弯曲才会被剪断，从而使其具有较大的测量行程，可以实现大形变(位移)的监测；与荷载来向距离最近的光纤最先受力产生相应的变形，在测读仪上表现为光信号的损耗，根据受外荷载后最先发生光信号损耗的光纤所代表的方位，便可确定运动的方向；根据光时域反射理论，光纤即将被剪断时引起测读仪上背向散射的尖峰，据此可判定产生移(运)动的荷载发生的位置。

根据监测需要，在复合光纤装置基材合适的位置，同时布设数量和功率不等的超声探头、水听器、声听器、压力监测等设备，从而实现被测体三维力学、位移、大小形变、温度、湿度、密度、压力、声波、性状等综合信息的实时遥测采集，达到多参数监测。复合光纤装置还包括可校准方位的装置，以保证复合光纤装置在埋设过程中因被扭动等原因而不易错位。

同现有技术相比，本实用新型产生的积极效果是：

(1)、准确高效：本实用新型巧妙地利用柱状空间架构构建了复合光纤装置，利用光纤对微弯损耗的高敏感性使其具有较高的初始测量精度，光纤连同基材在填充材料内先弯曲，运动一段距离后才会被剪断，从而使其具有较大的测量行程；根据受外荷载后最先发生变形的光纤编号准确判定位移(运)动的方向；而光纤的距离标定性可判定移(运)动产生的位置，获得的信息准确全面。

(2)、简化操作、提高效率：当基材上设置有连接件时，可按监测需要将基材组合拼装，尺寸、长短、形状随意可调，光纤可简便地穿入基材上的固定槽或穿孔中定位，将复合光纤装置埋入被测体内或粘附、缠绕于被测体外均可监测，操控简单。检测结果可经显示器实时显示，使监测直观、明了。

(3)、多参数检测：利用复合光纤装置上配备的超声探头、水听器、声听器、多种传感器等监测设备，同时实现被测体三维力学、位移、大小形变、温度、湿度、密度、压力、声波、结构性状等综合信息的实时遥测采集，达到多参数监测。

(4)、远程安全：光纤传输损耗小，除了在测点附近布设接受信号装置，光纤也可埋设数公里或数十公里，将信号数据传到远方，实现远程实时遥测，不影响监测的精度和准确，使其功能更全、效率更高；而光纤对人体和环境无任何毒副作用，实现环保安全的监测。

(5)、价格低廉：基于复合材料的基材和光纤本身价格很低，而且一旦基材量产，价格将更低，降低地质灾害的监测成本，提高市场竞争力。

附图说明

本实用新型有如下附图：

图1为实施例中复合光纤装置的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3复合光纤装置组合截面形式示意图；

图4基于复合光纤装置的多参数检测仪主机工作框图；

图5复合光纤装置监测边坡、大坝示应用实施例的示意图。

图中：10-灌浆材料，11-基材，12-连接扣眼，13-连接扣头，14-光纤槽，15-光纤，16-光纤槽盖板，17-传感器(可以是温度、湿度、压力、位移、应变、密度等传感器中的一种或任意组合)，18-传感器连接线，19-超声探头、声听器、水听器中的一种或任意组合，及各自信号线，20-填充材料(水、空气、复合材料、砂浆或其他填充材料)，30-光发生器，31-复合光纤装置，32-光纤行程记录仪(根据监测需要取舍)，33-接收装置，34-主机，35-光纤多路复用装置，36-匹配电源电路，37-主机CPU，38-显示装置，39-控制面板。B-复合光纤装置。

具体实施方式

参见附图1、2，图中基于复合光纤装置的多参数检测仪包括复合光纤装置B及接收处理信号的主机；其特征是：复合光纤装置包括基材11及以基材为载体的光纤15，其中基材具有受力承载面，在所述承载面的正面或/和反面上安装至少一根光纤，所述光纤随受力承载面的形变而产生输出信号的改变。

在实施例中，复合光纤装置的基材11由基材单元连接构成，所述基材单元上设置有连接件，如扣眼12和扣头13，基材单元的单面或双面上具有定位和保护光纤的槽14或孔及槽的盖板16，光纤穿入槽或穿孔后一端固定、在露出被测体外的另一端穿过一个带有行程记录仪的固定装置，并可相对自由运动，不限基材上的光纤数量、排列形式以及固定与否，但要对这些光纤进行编号。基材上也设置一些可固定安放传感器和超声探头等设备的空间。

所述基材单元之间的连接件不限于上述扣眼与扣头，除了扣接方式的连接件外，还可以采用挂接、铆接等成熟的连接方式。

参见附图3，所述复合光纤装置可根据监测需要组合成不同的横截面形状，如圆形d、矩形c、方形a、三角形b1、b2，多边形e等，其纵向长度可以根据需要延伸，在截面的角点也可布置光纤保护槽允许光纤穿过。

上述复合光纤装置B的基材11或其间的填充材料20具有匹配的强度，受力时光纤连同基材共同在填充材料内运动一段距离，先产生弯曲才会被剪断，具有较大的测量行程，可以实现大形变(位移)的监测。

实施例中所述基材由具有一定塑性和刚度的材料制成(如硬质塑料)，基本特征是受力后可发生一定变形。使用时，上述具有多受力承载面的立体形状基材的中空部分装有填充材料20，填充材料可以为水、空气、复合材料、砂浆或其他材料，或支架，其外围包裹的灌浆材料可为砂浆、混凝土等。

上述基材上设置有传感器，它们选自现在已有市售的温度、湿度、压力、位移、应变、密度等传感器中的至少一种。例如压力传感器可选用航宇东方公司的成熟产品，温湿度传感器于杭州卓联电子科技有限公司订购；密度传感器型号为SK-8M01G，位移传感器订购于浙江省亿纬自动化设备厂；应变计型号为GHB-3型。所有传感器均可根据检测体实际情况变换安装部位、数量、功率。

所述基材上还可设置有超声探头、声听器、水听器中的至少一种。它们通过导线与主机连接。在实施例中所述其中超声探头由汕头超声研究所购买，所述水听器可选用FBG光纤水听器。

参见附图4，所述主机34包括光纤多路复用装置35、光纤行程记录仪32(根据监测需要取舍)、光发生器30、接收装置33(如光功率计等)、匹配电源电路36、主机CPU37、显示装置38、控制面板39，并配备有相应的信号采集及分析软件、图像储存及回放装置。光纤多路复用装置采用SD900系列光纤多路复用器，光纤行程记录仪采用SURTRONIC3+记录分析仪器；光发生器采用HP2100激光发生器；接收装置采用如广西OPM-1C型光功率计。

光发生器发射稳定光源，复合光纤装置中的光纤组完成信息的采集，光纤行程记录仪记录在荷载作用下光纤的运动距离，主机CPU为主机核心，主机CPU负责对采集到的信息进行加工、处理、分析、计算，根据监测需要，主机CPU也可控制信号发射。控制面板与主机CPU相连接，用于控制仪器状态、输入数据及资料、进行测量等，在主机CPU控制下，通过控制面板上的操控系统启动或切换到不同参数的检测模式，使配备的超声探头、水听器、声听器、各种传感器等设备分别采集相应的信息，采集的信息也输入主机CPU，实时经计算机上相应的软件分析系统及图像处理技术(也可储存原始信号脱机回放分析)综合处理后，得到检测体一种或多种形变、位移、光、电、声、压力、密度、温度等资料，实现多参数信息采集、数据智能化处理、结果显示一体化。

应用实施例1：本实用新型在边坡、大坝、隧道、矿洞、地基等处的“微创”监测

此时可有两种检测方法：(1)将复合光纤基材拼接成任意尺寸和形状的平面检测形式；(2)将复合光纤基材拼接成任意尺寸和形状的立体检测形式(有多个受力承载面)，立体检测形式的中空部分的填充材料20根据监测需要可采用水、泥浆、砂、砂浆、混凝土、复合材料等，也可以是支架，也可以不作填充。

①在边坡、大坝、隧道、地基等被测体内适当位置钻孔，或在待测体施工过程中预留孔道，将事先拼接好的平面(或立方体)复合光纤装置埋入钻孔内(可根据钻孔深度、监测需要设置方位校准装置)。

②用强度适中的灌浆材料使复合光纤装置与周边的被测体紧密结合，以传递被测体的变形和荷载信息，选择一种上述填充材料，在拼接成立体检测形式的复合光纤基材中填充(或不填充)。当被测体受荷(不论何种形式的荷载)产生变形或运动，根据光纤产生的微弯损耗、弯曲损耗和剪切变形等确定被测体的变形和运动大小；由于光纤按既定方式排列编号，根据产生损耗关系的位置和截面形式即可确定变形或运动产生的方向。

③根据监测需要，在复合光纤装置上适当的位置布设数量和功率不等的温度、湿度、压力、密度等传感器、或水听器、声听器、超声探头等(可据需要选择其中的一种或数种)，当超声探头、水听器、声听器不便安装时，可将超声探头、水听器置入水囊，将声听器置入气囊。

④如：边坡不稳受地质结构、雨湿等多因素影响，仅用复合光纤装置监测滑坡前力学状态和方向，信息不够全面准确，故在复合光纤装置上布设湿度、压力传感器、超声探头、声听器或水听器；其中湿度、压力传感器监测岩土体内产生运动之前以及运动过程中湿度和压力的综合变化，超声探头则探测地质结构和分层，声听器或水听器可实时接受地质内部运动或岩体破裂时产生的声波信号，实现多参数的信息获取，更早更准确地判断破坏的产生，及时防备，为深入研究被测体变形破坏机制、寻求最佳防治方案奠定基础。

⑤将复合光纤装置、各种传感器和探头采集到的数据、信号通过多路复用装置、接受器(如光功率计等)传到主机，主机调用相关软件进行分析，并把监测的情况和分析的结果以图像和数据形式显示出来，根据预定的阈值范围做出相应的破坏程度判断，及早预警危险状况。

在应用中，所述复合光纤装置中还包括可校准方位的装置(如微型电子指南针FAD-DCM-V)，以保证复合光纤装置在埋设过程中因被扭动等原因而不易错位。

应用实施例2：边坡、大坝、矿洞、隧道等“无创”监测

在边坡、大坝、隧道等稳定性监测中，将事先拼接好的平面(或立方体)复合光纤基材固定在被测体外部，检测过程及原理、多参数的获取方式与上述“微创”监测类似。例如在用复合光纤装置监测矿洞稳定的运用中，在复合光纤装置上同时布设压力、密度等传感器，获得矿洞变形位移、受力方向、地质土壤密度等综合信息，为预测矿洞坍塌、早期防范提供全面准确的依据。

应用实施例3：梁(含桥梁等)、柱检测

对于所述梁、柱，可根据其体积大小和监测需要确定复合光纤装置的尺寸、排列形式、形状，其安装方式可为预埋或梁柱内钻孔放置，也可黏、附于表面；可以与被测体平行布置，也可缠绕于表面，施测原理、多参数的获取方式与前述实施例1、2相同。例如桥梁破坏受温度、湿度、压力等影响，在复合光纤装置上布设温度、湿度、压力传感器，可获知桥梁破坏前变形、受力及内部温湿度变化等状况，为早期判断破坏前异常状态、及时预警防范、以及深入研究桥梁破坏机制奠定基础。

Claims (5)

1.一种基于复合光纤装置的多参数检测仪，包括复合光纤装置(B)及接收处理信号的主机；其特征是：复合光纤装置包括基材(11)及以基材为载体的光纤(15)，其中基材具有受力承载面，在所述承载面的正面或/和反面上安装至少一根光纤，所述光纤随受力承载面的形变而产生输出信号的改变。

2.根据权利要求1所述的基于复合光纤装置的多参数检测仪，其特征是：复合光纤装置(B)的基材(11)由基材单元相互连接构成，所述基材单元上设置有连接；所述基材单元体之间通过连接而构成具有单个或多受力承载面的立体形状，所述立体形状的长度可以通过基材单元的连接得到延伸，通过不同受力承载面上光纤因受到拉压而产生输出信号改变，来判定受力的方向。

3.根据权利要求1或2所述的基于复合光纤装置的多参数检测仪，其特征是：基材上设置有传感器，它们选自温度、湿度、压力、位移、应变、密度传感器中的至少一种；它们通过导线与主机连接。

4.根据权利要求1或2所述的基于复合光纤装置的多参数检测仪，其特征是：所述基材上还设置有超声探头、声听器、水听器中的至少一种，它们通过导线与主机连接。

5.根据权利要求2所述的基于复合光纤装置的多参数检测仪，其特征是：基材单元的单面或双面上具有定位和保护光纤的槽(14)或孔及槽的盖板(16)，光纤穿入槽或后一端固定，另一端与主机中的光纤多路复用装置、光纤行程记录仪、光发生器及接收装置连接。

Images