CN203083529U - 布里渊光传感式连续多点位移计测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种布里渊光传感式连续多点位移计测量装置。本实用新型的目的是提供一种布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，以简化整体结构、降低施工难度和成本，准确判断实际变形发生位置。本实用新型的技术方案是：布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：它包括通过灌浆固结于钻孔内的布里渊光传感式连续多点位移计、通过传输光缆与该位移计连接的布里渊解调仪，以及通过信号线与该解调仪连接的数据分析计算机。本实用新型适用于水利水电及地质工程安全监测领域。

Description

布里渊光传感式连续多点位移计测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于布里渊分布式光纤传感技术的岩土体深部位移的检测装置，特别是一种布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，主要适用于水利水电及地质工程安全监测领域。

背景技术

在边坡、地下洞室开挖和大型基础工程施工过程中，对岩土体深部位移的监测，一般采用基岩位移计、多点位移计等传感器，传感单元安装于孔口位置，连接不同长度的传递杆，测量不同深度锚固端相对孔口的位移量，并通过假定的深部不动点，换算各测点及孔口的变形。采用的传感器按传感方式分，常见的有差动电阻式、钢弦式、光栅式等。目前的测试仪器和方法，在使用中存在四个方面的问题：一是受传感器数量的限制，通常最多只能测量4~5个点位置的位移，不足以判断实际变形发生的准确位置；二是需要数米甚至数十米长的传递杆来将深部的轴向变形量传至孔口，传递杆自身的热胀冷缩、扭曲、压杆稳定等问题，都可能导致测值失真；三是相对位移到绝对位移的换算中，需以最深部点的测值为基准，一旦该测点失效，则其它测点均无法进行计算；四是安装的测点较多时，传感杆也越多，则要求的钻孔孔径也越大，施工难度、成本均增大。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，以简化整体结构、降低施工难度和成本，准确判断实际变形发生位置。

本实用新型所采用的技术方案是：布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：它包括通过灌浆固结于钻孔内的布里渊光传感式连续多点位移计、通过传输光缆与该位移计连接的布里渊解调仪，以及通过信号线与该解调仪连接的数据分析计算机。

所述位移计与布里渊解调仪之间设有用于切换测量线路的光开关，该光开关通过信号线与数据分析计算机连接。

所述位移计包括PVC管架、布置于该管架上的应变传感光纤和温度传感光纤、分别位于该管架两端的回路盒和连接盒，所述应变传感光纤一端通过位于回路盒内的光纤熔接盘线与温度传感光纤一端连接，另一端通过位于连接盒内的光纤熔接盘线与温度传感光纤另一端连接，形成一闭合回路，位于连接盒内的光纤熔接盘线连接有一根伸至外部的传输光缆。

所述应变传感光纤包括相互间隔布置的一组纤芯和一组凯夫拉纤维，以及布置于纤芯和凯夫拉纤维外的护套，该护套外同轴布置一组间隔均匀的环肋。

所述护套的横截面为四个半径均为1mm的半圆依次首尾相接形成的花瓣状。

所述纤芯为G.625B型单模光纤，共四根，分别位于四个半圆的圆心处；所述环肋横截面形状与护套相同，且其宽度和高度均为0.5mm。

所述PVC管架包括中空管，以及每隔1m同轴布置于该中空管外的外套环，所述中空管和外套环之间设置支撑板。

所述中空管外径为20mm；外套环外径为50mm、宽0.2m。

所述连接盒外设有钢制保护罩。

所述温度传感光纤采用普通的铠装松套通信光缆，纤芯数量为2~4芯；传输光缆采用8~16芯通信光缆；布里渊解调仪采用BOTDR或BOTDA类型的仪器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用基于布里渊分布式光纤传感的连续多点位移计，以光时域或频域分析为基础，通过对光纤中的背向散射光进行解调，从而获取光纤沿线连续的温度和应变分布信息，对测孔中光纤沿线各位置的轴向应变量进行监测，测点间距最小至5~10cm，通过积分计算，可以得到各区段的相对变形量，并以深部不动点为基础计算绝对位移量，较之现有技术，不仅能够更加真实准确的判断出实际变形发生的位置，而且施工难度更小、成本更低；此外，本实用新型结构简单，技术先进、新颖，钻孔孔径小，安装简便，测值信息量大、可信度高，性能优于现有的传感器。

应变传感光纤采用四圆弧的断面结构，并配有凯夫拉纤维，增强了光纤防扭、抗折的能力，确保敷设施工和灌浆过程中不易受损坏。应变传感光纤纤芯紧包，外层设置了环肋，能增强光纤和外部砂浆柱体的接合面积，提高摩阻力，促进光纤与被测体同步变形。采用这种应变传感光纤和专门设计的PVC管架制作的布里渊光传感式连续多点位移计，是一种全分布式的原位变形测量装置，相比传统的多点位移计在测点数量、准确性、可靠性方面都有较大的优势，中空管可做灌浆管或排气管，将传感器的安装和灌浆装置合为一体，施工也较简便。

附图说明

图1是本实用新型的结构图。

图2是本实用新型中布里渊光传感连续多点位移计的结构图。

图3是图2的A-A向剖面图。

图4是图2的B-B向剖面图。

图5是图2的C-C向剖面图。

图6是图2的D-D向剖面图。

图7是图2的E-E向剖面图。

图8是本实用新型中应变传感光纤的结构图。

图9是图8的A-A向剖面图。

图10是图8的B-B向剖面图。

图11是本实用新型应变和位移分布监测成果图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括布里渊光传感式连续多点位移计21、通过传输光缆与该位移计依次连接的光开关22和布里渊解调仪23，以及通过信号线与该解调仪连接的数据分析计算机24；其中布里渊光传感式连续多点位移计21安装于钻孔内，并通过灌浆进行封闭固结；光开关22用于切换测量线路；数据分析计算机24通过信号线与光开关22连接。其工作原理是：布里渊光传感式连续多点位移计21检测到的光信号通过传输光缆经由光开关22引至布里渊解调仪23，测量结果实时上传至数据分析计算机24进行分析计算，同时数据分析计算机24可根据实际情况下达相关控制指令给布里渊解调仪23和光开关22。

根据工程实际情况，布里渊解调仪23可采用BOTDR或BOTDA类型仪器。

如图2-图7所示，所述布里渊光传感式连续多点位移计包括PVC管架11、布置于该管架上的应变传感光纤12和温度传感光纤13、分别位于该管架两端的回路盒14和连接盒15，以及一根传输光缆19；所述应变传感光纤12结构如下所述；温度传感光纤13采用普通的铠装松套通信光缆，纤芯数量为2~4芯；回路盒14外径38mm、高0.3m，用于收纳光纤熔接盘线18；连接盒15外径250mm、高0.2cm，用于保护传感光纤和传输光缆19的连接部位，同时收纳光纤熔接盘线18；传输光缆19采用8~16芯通信光缆。所述应变传感光纤12一端通过位于回路盒14内的光纤熔接盘线18与温度传感光纤13一端连接，另一端通过位于连接盒15内的光纤熔接盘线18与温度传感光纤13另一端连接，形成一闭合回路；位于连接盒15内的光纤熔接盘线18与传输光缆19连接，以便将检测到的信息传输至外部进行分析计算。实际应用中，设有回路盒14的一端位于孔底，设有连接盒15的一端位于孔口处。

所述PVC管架11包括中空管11-1，以及每隔1m同轴布置于该中空管外的外套环11-2，所述中空管11-1和外套环11-2之间设置支撑板11-3。所述中空管11-1外径20mm，由孔口延伸至距离孔底约0.8m处，分段进行安装；外套环11-2外径50mm、宽0.2m。

所述连接盒15外设有钢制保护罩16，保护并引出传输光缆19。

如图8-图10所示，本实施例应变传感光纤包括四根纤芯1（G.625B型单模光纤）、四根凯夫拉纤维3（美国杜邦公司于上世纪60年代中期研制出的一种合成纤维，全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺纤维”）、布置于纤芯1和凯夫拉纤维3外的护套2，以及一组同轴布置于护套2表面、用于增大摩阻力的环肋4；本例中，护套2的横截面为四个半径均为1mm的半圆依次首尾相接形成的花瓣状，相邻两半圆的圆心间距约为1.4mm；四根纤芯1分别位于四个半圆的圆心处，四根凯夫拉纤维3分别位于相邻两纤芯1之间的空隙处，用于增大光纤的抗拉强度；相邻两环肋4之间的间距相等，均为9.5mm，环肋4的宽度和高度均为0.5mm，即应变传感光纤带肋和不带肋部位的断面边长分别为4.4mm和3.4mm。

实际使用中，首先需要进行测量装置的安装，其具体步骤如下：

a、采用地质钻机在待测量的部位钻孔，孔底应达到理论分析或经验估计的不动点，建议孔径60~75mm，采用其它孔径时，PVC管架11的断面尺寸可根据实际情况进行调整。

b、清洗钻孔，检查全孔的孔径均满足设计要求。

c、使用OTDR仪器（光时域反射仪，下同）检查传感光纤（包括应变传感光纤和温度传感光纤，下同）和传输光缆19的完好性。

d、在PVC管架11的最前端安装回路盒14，将应变传感光纤12和温度传感光纤13的纤芯末端通过光纤熔接盘线18两两熔接，形成回路，熔接后进行光损耗检查；其中位于前端的光纤熔接盘线18位于回路盒14内。

e、根据现场条件，按1~2m分段连接中空管11-1、组装PVC管架11。在中部位置敷设传感光纤，传感光纤每隔1m左右，用热塑或环氧树脂以点式固定于支撑板11-3的凹槽中，传感光纤应轻轻拉直、无扭曲和弯折。组装完成应立即使用OTDR仪器检查传感光纤的完好性，然后方可放入钻孔；再次进行检查无误后，可进行下一段的组装。

f、PVC管架11及传感光纤安装完成后，再次进行光损耗的检查，确认无误后实施灌浆。浆液类型可为砂浆或水泥浆，配比根据现场情况确定。钻孔方向向上时，由中空管11-1注浆；钻孔方向向下时，由四周注浆、中空管11-1排气，也可考虑先注浆4/5左右再插入所述连续位移计。

g、在孔口处安装连接盒15，盒内传感光纤与传输光缆19的芯线对接，记录熔接芯线的编号和连接盒内每条盘线的长度；然后在连接盒15外安装保护罩16。

h、安装数据分析计算机24，并与布里渊解调仪23和光开关22进行连接和控制。通常使用的布里渊解调仪23有BOTDR、BOTDA等类型。光开关22两端分别连接布里渊解调仪23和传输光缆19，用于扩展布里渊解调仪23的测量通道数，建议使用2×N或4×N型，N由被测连续多点位移计数量和有效芯线数量决定。

安装完成后，即可开始测量，具体步骤如下：

a1、启动布里渊解调仪23，调整相关参数进行测试，记录并保存最优的参数组合供日常监测使用。

b1、灌浆初凝后立即进行初次测量，一般连续测量3~5次，取其平均值作为基准值。另在靠近孔口处用热水或冰水对一小段传输光缆进行升温或降温处理，测量并记录温度变化点的光纤距离，作为定位参考信息。

c1、日常监测时，启动数据分析计算机24，控制光开关22切换测量线路，并控制布里渊解调仪23进行测量，读取和存储相关数据。特殊情况下，亦可人工操作布里渊解调仪23，通过或不通过光开关22直接连接传输光缆进行测量。

d1、根据施工记录和定位测量结果，建立光纤距离和实际孔深的对应关系。

e1、从孔底至孔口，沿孔深对应变量进行积分，计算各位置相对孔底的位移量，当孔底达到理论计算或经验估计的不动点时，该结果亦可认为是各位置的绝对位移量。计算公式如下：

$S\left(z\right)={\∫}_L^0\mathrm{\ϵ}\left(z\right)\×\mathrm{dz}$

式中：S(z)为孔深z处的位移量，ε(z)为孔深z处的实测应变量，L为孔底光纤起测点的深度。任意两点z₁和z₂间的相对位移量，可由S(z₁)和S(z₂)的差值求得。

当孔内温度明显发生变化时，需要利用温度传感光纤的温度分布测值对应变传感光纤的应变分布测值进行修正，计算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\mathrm{\ϵ}-\frac{C_2}{C_1}\mathrm{\ΔT}$

式中：ε′为修正后的应变量，ε为应变量测值，ΔT为温度变化测值，C₁为应变传感光纤的应变系数，C₂为应变传感光纤的温度系数。

如图11所示，本实施例中的测量结果包括沿孔深的应变和位移的分布数据。在孔深14~18m区段，传感光纤测得约600με的拉应变。假定20m处为不动点，由孔底到孔口对应变进行积分可得到各位置的位移量，到14m处及以上，位移量约为2.3mm。

Claims (10)

1.一种布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：它包括通过灌浆固结于钻孔内的布里渊光传感式连续多点位移计（21）、通过传输光缆与该位移计连接的布里渊解调仪（23），以及通过信号线与该解调仪连接的数据分析计算机（24）。

2.根据权利要求1所述的布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：所述位移计（21）与布里渊解调仪（23）之间设有用于切换测量线路的光开关（22），该光开关通过信号线与数据分析计算机（24）连接。

3.根据权利要求1或2所述的布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：所述位移计（21）包括PVC管架（11）、布置于该管架上的应变传感光纤（12）和温度传感光纤（13）、分别位于该管架两端的回路盒（14）和连接盒（15），所述应变传感光纤（12）一端通过位于回路盒（14）内的光纤熔接盘线（18）与温度传感光纤（13）一端连接，另一端通过位于连接盒（15）内的光纤熔接盘线（18）与温度传感光纤（13）另一端连接，形成一闭合回路，位于连接盒（15）内的光纤熔接盘线（18）连接有一根伸至外部的传输光缆（19）。

4.根据权利要求3所述的布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：所述应变传感光纤（12）包括相互间隔布置的一组纤芯（1）和一组凯夫拉纤维（3），以及布置于纤芯（1）和凯夫拉纤维（3）外的护套（2），该护套外同轴布置一组间隔均匀的环肋（4）。

5.根据权利要求4所述的布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：所述护套（2）的横截面为四个半径均为1mm的半圆依次首尾相接形成的花瓣状。

6.根据权利要求5所述的布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：所述纤芯（1）为G.625B型单模光纤，共四根，分别位于四个半圆的圆心处；所述环肋（4）横截面形状与护套（2）相同，且其宽度和高度均为0.5mm。

7.根据权利要求3所述的布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：所述PVC管架（11）包括中空管（11-1），以及每隔1m同轴布置于该中空管外的外套环（11-2），所述中空管（11-1）和外套环（11-2）之间设置支撑板（11-3）。

8.根据权利要求7所述的布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：所述中空管（11-1）外径为20mm；外套环（11-2）外径为50mm、宽0.2m。

9.根据权利要求3所述的布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：所述连接盒（15）外设有钢制保护罩（16）。

10.根据权利要求3所述的布里渊光传感式连续多点位移计测量装置，其特征在于：所述温度传感光纤（13）采用普通的铠装松套通信光缆，纤芯数量为2~4芯；传输光缆（19）采用8~16芯通信光缆；布里渊解调仪（23）采用BOTDR或BOTDA类型的仪器。

Images