CN207649556U - 一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置，包括光纤传感器，所述的光纤传感器包括进段光纤传感器、出段光纤传感器和弯折段光纤传感器，进段光纤传感器和出段光纤传感器均设置在保护套管内，相邻的保护套管之间通过伸缩式套管连接，弯折段光纤传感器设置在圆台管内，圆台管一端通过伸缩式套管与相邻的保护套管连接，圆台管另一端设置有密封塞，进段光纤传感器和出段光纤传感器均通过光纤卡环与伸缩式套管连接。本实用新型精度高、安装与操作简易方便、可以多次循环利用。

Description

一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置

技术领域

本实用新型涉及岩土工程技术中的岩体内部变形与温度监测领域，具体地还涉及一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置，适用于岩土工程围岩变形和温度的监测。

背景技术

岩土工程的围岩变形是岩土工程检测中最为重要的物理参数之一，对于了解施工质量、施工方案的合理性以及指导现场施工作业具有非常重要的意义；而伴随着近些年煤矿、隧道、坝体施工等岩土工程的大力发展，迫切地需要一种能准确方便测量岩土工程围岩变形的装置，这对现今监测仪器都提出了不小的挑战。

目前，岩土工程中测量围岩内部位移常用方法包括：多点位移计测量法和全站型电子速测仪测量法。利用多点位移计测量围岩内部位移方法的优点是可以较为灵活测量围岩内多点的位移值；缺点是测点成活率较低，测点数量有限，施工较为复杂，受隧道开挖施工的影响较大。利用全站型电子速测仪测量围岩内部位移的优点是速度快、精度高、功能强和自动化程度高；缺点是只能测量开挖段到掌子面围岩的变形，而无法测量掌子面到受开挖影响掌子面前方未开挖段围岩的变形，并且测量数据不能做到实时测量，但是作为围岩位移测量来说，数据的实时性非常重要。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的问题，提供了一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置，可以获得围岩深部的相对位移及围岩内部沿某一测线的应变和轴向位移的分布情况。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型的技术方案为：

一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置，包括光纤传感器，所述的光纤传感器包括进段光纤传感器、出段光纤传感器和弯折段光纤传感器，进段光纤传感器一端与出段光纤传感器一端通过弯折段光纤传感器一体化连接，进段光纤传感器和出段光纤传感器均设置在保护套管内，保护套管为多个，相邻的保护套管之间通过伸缩式套管连接，弯折段光纤传感器设置在圆台管内，圆台管一端通过伸缩式套管与相邻的保护套管连接，圆台管另一端设置有密封塞，进段光纤传感器和出段光纤传感器均通过光纤卡环与伸缩式套管连接。

如上所述的相邻的保护套管之间设置有间隙，圆台管与相邻的保护套管之间设置间隙，

光纤卡环包括固定端和卡环，固定端一端嵌设固定在伸缩式套管内壁，固定端另一端穿过间隙与卡环连接，卡环卡设在进段光纤传感器或出段光纤传感器上，

如上所述的伸缩式套管为风琴式伸缩管。

本实用新型相对于现有技术具有如下优点：

1、精度高，由于数据采集处理系统及光脉冲发射系统可连续快速地发射光脉冲，因此可以多次量测和分析，大大地提高精度；

2、安装与操作简易方便；

3、可以多次循环利用，不受爆破破坏的影响，如用来监测煤矿巷道掘进面及掘进面深部围岩的变形和温度，以及隧道掌子面及掌子面深部围岩的变形和温度，随着掘进面和掌子面的爆破推进，爆炸后剩余的伸缩式套管、保护套管、光纤卡环仍可使用。

附图说明

图1为本实用新型装置的上部结构示意图；

图2为本实用新型装置的上部横截面结构示意图；

图3为本实用新型装置的下部结构示意图。

图中：1-保护套管（HPVC）；2-水泥砂浆；3-伸缩式套管；4-光纤卡环；5-光纤传感器；6-圆台管；7-传导光纤；8-间隙；9-数据采集处理系统及光脉冲发射系统；10-密封塞；401-固定端；402-卡环；501-进段光纤传感器；502-出段光纤传感器；503-弯折段光纤传感器。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。

现今应用较为广泛的分布式光纤传感器主要有两种，一种是基于Brillouin散射的Brillouin分布式光纤传感器，利用Brillouin峰的移动来推算所测温度和应变的变化，另一种是基于Raman散射的Raman分布式光纤传感器，利用光强分析所测温度的变化。本实施例的光纤传感器5为Brillouin分布式光纤传感器，但并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。

如图1～3所示，一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置，包括光纤传感器5，所述的光纤传感器5包括进段光纤传感器501、出段光纤传感器502和弯折段光纤传感器503，进段光纤传感器501一端与出段光纤传感器502一端通过弯折段光纤传感器503一体化连接，进段光纤传感器501和出段光纤传感器502均设置在保护套管1内，保护套管1为多个，相邻的保护套管1之间通过伸缩式套管3连接，弯折段光纤传感器503设置在圆台管6内，圆台管6一端通过伸缩式套管3与相邻的保护套管1连接，圆台管6另一端设置有密封塞10，进段光纤传感器501和出段光纤传感器502均通过光纤卡环4与伸缩式套管3连接。

相邻的保护套管1之间设置有间隙8，圆台管6与相邻的保护套管1之间设置间隙8，

光纤卡环4包括固定端401和卡环402，固定端401一端嵌设固定在伸缩式套管3内壁，固定端401另一端穿过间隙8与卡环402连接，卡环402卡设在进段光纤传感器501或出段光纤传感器502上，

伸缩式套管3为风琴式伸缩管。

伸缩式套管3通过水泥砂浆2与围岩紧密结合，并可随围岩变形而移动，从而带动所述光纤卡扣4移动；光纤卡扣4的卡环402与进段光纤传感器501和出段光纤传感器502紧密结合，光纤卡扣4的固定端401与伸缩式套管3紧密结合，以保证光纤传感器5与光纤卡扣4同时移动变形；

弯折段光纤传感器503设置在圆台管6内，圆台管6一端通过伸缩式套管3与相邻的保护套管1连接，圆台管6另一端设置有密封塞10，保证光纤传感器5在允许半径范围内弯折，并防水泥砂浆2灌入；

在无外部作用力的情况下，保护套管1为固定长度，深度方向相邻两个光纤卡扣4间距离已知确定；

光纤传感器5的两端，即进段光纤传感器501顶端和出段光纤传感器502顶端分别通过传导光纤7与数据采集处理系统及光脉冲发射系统9连接。

一种结合分布式光纤传感器的围岩深部线性位移和温度测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在岩石、混凝土或土中，钻出钻孔，钻孔长度根据需要测量的深度范围确定（一般不超过30m）。最底部的保护套管1通过伸缩式套管3与圆台管6一端连接，将弯折段光纤传感器503安装在圆台管6后，圆台管6另一端设置密封塞10，将各个保护套管1通过伸缩式套管3进行连接，在拼接伸缩式套管3和保护套管1时，进段光纤传感器501和出段光纤传感器502并行设置在保护套管1内，且位于保护套管1内的两侧，进段光纤传感器501和出段光纤传感器502分别安装固定在卡环402上，进段光纤传感器501和出段光纤传感器502通过固定端401与伸缩式套管3紧密连接，边拼装保护套管1边将拼装好的保护套管1插入到钻孔中；

步骤2、向保护套管1与钻孔的空隙里注水泥砂浆2，待水泥砂浆2干结后进行测量；

步骤3、水泥砂浆2干结后立马进行初始测量，将进段光纤传感器501和出段光纤传感器502分别与两股传导光纤7连接，打开数据采集处理系统及光脉冲发射系统9，根据需要设置测点的分布密度，数据采集处理系统及光脉冲发射系统9通过传导光纤7向进段光纤传感器501中注入光脉冲，光脉冲依次经过进段光纤传感器501、弯折段光纤传感器503和出段光纤传感器502后，经过另一传导光纤7传送回数据采集处理系统及光脉冲发射系统9，利用现有技术测得此光纤传感器5的初始温度对应的频移和初始应力对应的频移；

步骤4、在之后的每次正常量测时，打开数据采集处理系统及光脉冲发射系统9通过传导光纤7向进段光纤传感器501中注入光脉冲，光纤传感器5所处环境的温度变化和自身发生应变后，受光纤传感器5的热光特性和弹光特性的影响，光纤传感器5的声波场会发生变化，进而会使Brillouin散射光发生频移，通过测定Brillouin散射光的温度变化后的频移和应力变化后的频移与步骤3所测得的初始温度对应的频移和初始应力对应的频移比较即可获得整个光纤传感器5各测点的温度变化值和应变变化值，即可实现每个测点位置的分布式温度和应变的量测，在本实施例中光纤传感器5采用Brillouin分布式光纤传感器，进段光纤传感器501、出段光纤传感器502和弯折段光纤传感器503均包括光纤外套、固定设置在光纤外套内的应变传感光纤、以及活动设置在光线外套内的温度传感光纤，进段光纤传感器501、出段光纤传感器502和弯折段光纤传感器503的光纤外套、应变传感光纤、温度传感光纤均一体化连接，实现对温度和应变的同时测量；

步骤5、通过进端光纤传感器501和出端光纤传感器502各点的应变变化值获得进端光纤传感器501和出端光纤传感器502各点的位移，根据进端光纤传感器501和出端光纤传感器502各点的位移既可以求得所有光纤卡环4所在位置的绝对位移，从而确定岩石、混凝土或土内部沿钻孔轴线的应变和轴向位移的分布情况；

步骤6、重复步骤4、5，即可实现对所测岩石、混凝土或土的温度及应变的长时间连续性监测。

本说明书中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置，包括光纤传感器（5），其特征在于，所述的光纤传感器（5）包括进段光纤传感器（501）、出段光纤传感器（502）和弯折段光纤传感器（503），进段光纤传感器（501）一端与出段光纤传感器（502）一端通过弯折段光纤传感器（503）一体化连接，进段光纤传感器（501）和出段光纤传感器（502）均设置在保护套管（1）内，保护套管（1）为多个，相邻的保护套管（1）之间通过伸缩式套管（3）连接，弯折段光纤传感器（503）设置在圆台管（6）内，圆台管（6）一端通过伸缩式套管（3）与相邻的保护套管（1）连接，圆台管（6）另一端设置有密封塞（10），进段光纤传感器（501）和出段光纤传感器（502）均通过光纤卡环（4）与伸缩式套管（3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置，其特征在于，所述的相邻的保护套管（1）之间设置有间隙（8），圆台管（6）与相邻的保护套管（1）之间设置间隙（8），

光纤卡环（4）包括固定端（401）和卡环（402），固定端（401）一端嵌设固定在伸缩式套管（3）内壁，固定端（401）另一端穿过间隙（8）与卡环（402）连接，卡环（402）卡设在进段光纤传感器（501）或出段光纤传感器（502）上。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器的围岩线性位移和温度测量装置，其特征在于，所述的伸缩式套管（3）为风琴式伸缩管。