CN210486800U - 基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，其特征在于，监测装置包括激光器、分布式传感光纤、电光调制器、光放大器、环形器、耦合器、M‑Z干涉仪、光探测器、数字处理器、数据通信和传输模块；分布式传感光纤和电光调制器组成光纤传感系统，经过光纤传感系统的光信号被光放大器、光滤波器、光探测器采集，将采集到的处理数据传输到微控制器，数字处理器将数据进分析和处理，数据通信和传输模块将监测数据结果传输到云平台，或远端控制测量系统发送控制命令进行任意时刻的测量。本实用新型能详细地检测出深埋于工程结构内部的光纤沿线各点的温度和应变等信息，实现实时监测、及时预警。

Description

基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置

技术领域

本实用新型属于深部水平位移监测技术领域，涉及一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，可以对土石坝、堤防、铁路公路边坡、岩土边坡、建筑物地基、矿井、基坑开挖以及地下结构工程内部进行自动化、高精度、变形位置可预测地实时动态监测。

背景技术

为了减少滑坡灾害带来的损失，深部水平位移监测方法被广泛应用于边坡、滑坡和城市深基坑监测中，对其安全状况进行评价及发展趋势进行预测。边坡深部位移监测是边坡监测体系中的重要环节，主要内容为对边坡体上所布设钻孔的垂向和水平向位移进行测量，以查明边坡不同部位的位移大小等。

目前常用的深部位移监测技术主要有钻孔测斜仪、拉线式深部位移计、多点位移计和时域反射技术等。然而，滑动式位移计由于每次测量工程中需要沿测斜管上下移动探头，尚无法实现自动化测；固定式测斜仪量程一般为±10°，当边坡变形超出其量程时，固定测量仪则无法继续进行监测；拉线式深部位移计只能测得相对位移量，无法确定边坡变形方向，且不能预先为其设定监测方向。时域反射技术脉冲信号易受干扰，且无法准确确定边坡变形方向，难以得到准确的监测。

由于光纤传感器具有体积小、抗干扰能力强、便于埋入材料或结构内部进行无损检测、动态范围宽、灵敏度高等特点，使其相对于传统的传感器有着明显的优势，同时在工程实际中有着非常好的应用前景。光纤传感器通常分为电点式、准分布式和全分布式。分布式光纤传感器的优势是能够连续测量光纤沿线各点处的温度、应变等传感参数，并且传输距离远，更适用于边坡、基坑等工程的水平位移检测中。

如布里渊散射光纤技术：

(一)布里渊散射光纤传感机理

布里渊散射是光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，它是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，其频率变化表征了元激发的能量，可以研究气体、液体和固体中的声学振动。在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受邀散射两种形式表现出来。布里渊散射光相对于入射光有一个频移，称为布里渊频移。

光纤布里渊频移与温度和应变的变化可表示为：

δ_νB＝C_νTδT_Z+C_ντδε_Z

式中，δ_νB是布里渊频移变化量，

是布里渊功率相对变化量；δT_z及δε_Z分别为光纤的度和应变的变化量；C_νT及C_ντ分别为布里渊频移温度系数和应变系数；C_PT及C_Pε分别为布里渊功率的温度系数和应变系数。

从布里渊频移与温度和应变的关系，可以看出布里渊频移收温度和应变的直接影响。求得温度变化量δT_z和频应变变化量δε_Z，即可实现对温度和应变的同时测量。

现有基于布里渊散射的分布式光纤传感器主要集中于三方面的研究：布里渊光时域反射(BODTR)技术，布里渊光是与分析(BODTA)技术，以及布里渊光频域分析(BOFDA)技术。BOTDR技术空间分辨率高、探测距离长，国内外的研究也已有比较成熟的研究成果。

(二)基于布里渊光时域反射(BODTR)技术的分布式光纤传感器工作原理

基于布里渊光时域反射(BOTDR)技术的分布式光纤传感器，主要利用光纤非线性效应中的的后向自发布里渊散射信号实现传感测量。布里渊散射信号同时受到温度和应变的影响，当光纤各处的温度和应变发生变化时，布里渊散射信号的频移和强度就会发生改变。布里渊散射信号的频移和强度改变量与温度和应变的变化具有好的线性关系，因此通过检测布里渊散射信号的频移和强度，就能得到光纤各处温度和应变的变化，实现对监测对象的应变变化的检测。

BOTDR技术工作原理，将脉冲光注入光纤，其在光线中沿线传播时不断激发自发布里渊散射光，后向传播的布里渊散射光被置于光纤起始端的检测系统接收，根据发射脉冲光和接收自发布里渊散射光的时间差可实现对散射光的定位，对不同时刻所得自发布里渊散射光进行处理，确定布里渊散射信号功率或频移的分布，最终实现温度或应变的分布式测量。

现有技术中也有不少实用新型涉及布里渊散射光、位移监测技术，如：

CN200410041124.0《光纤应变三维模拟实验台》，实验台上设有位移测量仪表和布里渊散射光时域反射测量仪，使测量信号与光纤变形位移相对应，以检验分布式光纤传感系统对结构局部变形监测的灵敏性和准确性。本实用新型实验台以此探索传感光纤的铺设方法和分布式光纤传感器的研制，为分布式光纤传感技术应用于工程实践提供必要的实验依据。

CN200410041995.2《土体深部变形分布式光纤测量方法和系统》，该测量系统由测斜管、分布式光纤传感线路、数据采集设备、计算机控制模块、数据处理模块等几部分构成。它采用基于自发布里渊散射原理的分布式光纤传感技术，通过将传感光纤按照全面粘贴的方式铺设在测斜管的外表面，然后将测斜管埋设在土体中，用于测量土体的变形或位移。当深部土体发生位移，土体将带动测斜管发生变形，测斜管外壁的应变量也随之变化，采用BOTDR可以直接测量出粘贴在测斜管外壁的光纤的应变分布，数据的采集过程由计算机控制模块实现，采集到的数据同样由计算机控制模块导入数据处理模块，按照一定的算法计算出测斜管的变形量，从而得到土体的变形或位移。

CN201010595164.5《隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法》，由分布式光纤测管、光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、数据处理与分析软件构成；通过将传感光纤对称布设于PP-R管的外表面，制作成分布式光纤测管，通过测管可得到测管沿线土体的位移；将分布式光纤测管埋入隧道上覆围岩的钻孔之中，并通过注入耦合剂形成土-管协调变形的测管将跟随围岩同步位移而发生变形，通过测量测管的变形，实现对围岩变形或位移的监测。本实用新型方法具有分布式、自动化数据采集、实时超前监测等特点，适用于隧道洞室、煤矿巷道等岩土工程领域围岩二维变形或位移的监测。

随着技术的进步，如将物联网技术用于监测边坡、滑坡或深基坑的安全状况，采用4G或5G网络物联网芯片，将会促进深部位移监测技术的提升。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出了一种采用电光调制器、M-Z干涉仪技术相结合的基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用以下所述技术方案。

一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，监测装置包括激光器、分布式传感光纤、电光调制器、光放大器、环形器、耦合器、M-Z干涉仪、光探测器、数字处理器、数据通信和传输模块；分布式传感光纤和电光调制器组成光纤传感系统，经过光纤传感系统的光信号被光放大器、光滤波器、光探测器采集，将采集到的处理数据传输到微控制器，数字处理器将数据进分析和处理，数据通信和传输模块将监测数据结果传输到云平台，或远端控制测量系统发送控制命令进行任意时刻的测量。

进一步，分布式传感光纤安装在被测试的对象内部或直接粘贴在被测对象的表面。

进一步，所述数据通信和传输模块选用4G或5G网络芯片，运用4G或5G网络将采集到的数据传输至云平台。

进一步，通过数据通信和传输模块，将采集的控制命令发送至工程现场的采集装置，实现远程、实时、安全测量的功能。

本实用新型电光调制器可以实现对通过的光信号的相位、幅度强度、已经偏振状态的调制；M-Z干涉仪用于将背向散射光中的瑞利散射和布里渊散射分离出来，实现布里渊强度的检测和光鉴频的功能；光探测器用来检测光功率，并将这个光功率转化为相应的电流；数据通信和传输系统将采集的数据远程传送至数据分析及处理系统，数字信号处理器将数据进行分析和处理，得到检测信息并呈现出检测结果。

本实用新型可以实现对土石坝、堤防、铁路公路边坡、岩土边坡、建筑物地基、矿井、基坑开挖以及地下结构工程内部进行自动化、高精度、变形位置及大小可预测地实时动态监测。

附图说明

图1为BOTDR光纤传感系统工作流程。

图2为本实用新型一种实施例的监测装置系统构成图。

图3为本实用新型提供的基坑深部水平位移监测装置的实施例。

具体实施方式：

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点阐述的更清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步的说明。需要说明的是，此处所描述的实施方式仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，为了进一步阐述本实用新型为达到预定目所采用的技术手段，现用基坑水平位移监测实施例(参见图3)进行说明。

本实用新型提供了一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置(参见图2)，该监测装置主要包括激光器、电光调制器、光放大器、环形器、耦合器、M-Z干涉仪、光探测器、数据通信和传输模块、数字信号处理器。

所述监测信息包括监测对象体内不同部位的位移大小、位移面等。

所述传感光纤为分布式传感光纤，其布设方式预埋和敷设两种，预埋时可以安装在边坡、基坑等监测对象的内部，敷设时可以直接粘贴在结构表面。

所述光纤传感系统为基于布里渊光时域反射(B0TDR)技术的分布式光纤传感系统。

现结合图2、图3对该装置的工作流程进行说明。监测装置的传感光纤入射端激光器发出激光，通过调制器的调制变成一束脉冲光，通过光放大器的放大作用后，通过环形器经由耦合器进入传感光纤。布里渊散射光和瑞利散射光同时注入M-Z干涉仪的输入端，当设置干涉仪的自由程为两倍的布里渊频移时，布里渊散射光和瑞利散射光将在干涉仪的两个输出端分别输出，实现光纤背向散射中自发布里渊散射与瑞利散射信号的分离。被光探测器接收到的布里渊散射信号转换为电流信号，经过放大器放大后传输到数字信号处理器，进行数据分析和处理，得到监测信息并呈现出监测结果，信号传输系统将监测的水平位移结果通过4G或5G网络传输到云平台，以便用户进行数据分析、存储、下载等相关应用操作，同时可以通过数据通信和传输模块将远端的测量控制命令发送至工程现场的测量装置，随时进行远端的测量，将数据传输到平台。

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

Claims (4)

1.一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，其特征在于，监测装置包括激光器、分布式传感光纤、电光调制器、光放大器、环形器、耦合器、M-Z干涉仪、光探测器、数字处理器、数据通信和传输模块；分布式传感光纤和电光调制器组成光纤传感系统，经过光纤传感系统的光信号被光放大器、光滤波器、光探测器采集，将采集到的处理数据传输到微控制器，数字处理器将数据进分析和处理，数据通信和传输模块将监测数据结果传输到云平台，或远端控制测量系统发送控制命令进行任意时刻的测量。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，其特征在于，分布式传感光纤安装在被测试的对象内部或直接粘贴在被测对象的表面。

3.根据权利要求1所述的一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，其特征在于，所述数据通信和传输模块选用4G或5G网络芯片，运用4G或5G网络将采集到的数据传输至云平台。

4.根据权利要求1所述的基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，其特征在于，通过数据通信和传输模块，将采集的控制命令发送至工程现场的采集装置，实现远程、实时、安全测量的功能。

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