CN210514026U - 一种用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器,属于岩土工程防渗技术领域。本实用新型所述螺线形导光纤芯传感器包括导光纤芯、传热套管,导光纤芯由光纤单排密绕形成螺线形结构,导光纤芯外面包裹传热套管,导光纤芯与传热套管之间紧密贴合。该传感器的主要特点包括:空间分辨率高,定位精度可优于4mm;螺线形结构的拉伸或挠曲性能好,能够适应工程主体的各类变形;传感器直径很小(可细至5mm),对岩土体的扰动小。可按各种需要设计密集的测点,并在施工过程中标定各测点的坐标位置。依据监测数据对渗流场进行快捷分析,能够准确定位渗透破坏位置,节约宝贵的岩土体溃塌预警和抢险时间。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器,属于岩土工程防渗技术领域。
背景技术
河岸、堤坝等岩土体在滑坡、坍塌成灾过程中,压力渗流起着显著的作用。异常渗流不仅溶蚀带走了岩土中的胶体物质和细颗粒、致使其酥松,还对岩土体具有渗压推动、浮托、润滑等负面效果,管涌、流土等渗透破坏更是直接造成大坝溃塌的元凶。因此,对渗流场的长期监测,直接关系到渗水岩土工程的运行安全。
对渗流场监测的传统方法是将渗流参数用传感器转变为电压或电流信号,用电缆送入相应的采集设备进行存储和分析。但对于运行期的岩土工程而言,尚有较多难题迄今未能解决,主要包括:制作传感器的电子元件存在温度漂移、晶体非线性变异等固有缺陷,故相对于主体工程而言寿命太短、更换很不容易;传感器的单价太高、体积和刚性均太大,与粒状岩土的亲和性差,因此在岩土工程中布置的测点过于稀疏,无法实施大面积密集监测;传输监测信号的电缆太多,有效压差的衰减大、抗干扰性能差,故在实际工程中的试用效果尚待改善。
作为新兴的传感器,光导纤维具有直径小、韧性好、无电磁干扰、寿命长、对监测主体扰动小、测点密集,监测范围广等优势。随着拉曼光谱分析理论的成熟,近年来已经将光纤测温技术引入岩土工程领域,利用渗水带来的温度变化对其渗流场进行长期监测。但由于光谱分析仪器的制约,直线形纤芯的分布式光纤传感器的空间分辨率较低,在保证测温精度的情况下通常大于1m,由于防渗体之后尚有数十至数百米的缝隙转向和渗流扩散,这个分辨率对于确定防渗体的破损位置而言精度太低,将造成很大的修复开挖工程量并耗费宝贵的抢险时间。迄今解决这个问题的办法是:在现场将1m左右的直芯光纤复绕成较小直径的圆圈或者8字形,作为固定大小的监测点---温度监测探头。如此虽然理论上可以提高传感器的空间分辨率,但对于探头与探头之间的岩土空间依然很为难:倘若探头之间的间距太大,例如大于1m,则空间分辨率实际上并没有得到改善;倘若探头之间的距离太小,又会抵消光纤传感器的“细小”优势,为此不仅需要先试验分析密集的大探头对工程主体的扰动和诱渗劣势,同时还将大大增加温度监测探头的现场制作成本,并显著增加纤芯断路的风险。
在国家自然科学基金项目(41462013、51069003、50869003),云南省应用基础研究计划重点项目(2013FA033),以及昆明理工大学科研基金项目(KKZ3201621012)等多次立项资助下,项目组明晰了分布式光纤温度传感器的工作机制,试验并深入分析了光纤曲率与信号损失之间的关系,确定了测温光纤的最小绕圈直径,发明了光纤土工膜并获得了3项专利授权,较多研究论文已在《岩土工程学报》、《岩石力学与工程学报》、《建筑材料学报》、《水力发电学报》、《Advanced Materials Research》、《Applied Mechanics and Materials》等等国内外权威期刊上发表,并被SCI、EI等国际著名检索机构收录。研究成果表明:直径较大(φ≥5cm)的传感器,例如绕成圈状或者8字形的光纤探头,都会扰动被监测的工程主体并造成明显的材料离析,进而影响岩土体的长期稳定性;较大的传感器还可能在岩土中形成附加的渗透通道,将会加剧渗透破坏的发展速度。
发明内容
针对现有技术存在的问题和不足,由杨华舒构思并设计了一种用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器,其原理成熟可靠、符合相关标准和规范,制作简便,能自动适应工程主体的变形,从而显著延长了寿命;该导光纤芯传感器的定位精度较高,可按各种需要设计密集的测点,并在埋设过程中标定各测点的坐标位置;依据监测数据对渗流场进行快捷分析,能够准确定位渗透破坏位置,节约宝贵的岩土体溃塌预警和抢险时间。
本实用新型通过以下技术方案实现:
本实用新型所述用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器包括导光纤芯1、传热套管2,导光纤芯1由光纤单排密绕成螺线形结构,导光纤芯1外面包裹传热套管2,导光纤芯1与传热套管2之间紧密贴合。
优选的,在导光纤芯1与传热套管2的贴合面(即导光纤芯1的外侧和/或传热套管2的内侧)涂抹导热硅脂,但导光纤芯1与传热套管2之间无须粘结。
优选的,本实用新型所述导光纤芯1采用石英多模光纤或者塑料光纤制备得到,导光纤芯1的螺线圈直径≥5mm。
优选的,本实用新型所述传热套管2可采用导热碳纤维、导热塑料、不锈钢薄片或导热硅胶等材料制成,其它导热较好的防腐软材料也可用于制备传热套管2;传热套管2并非螺线形,但能够适应螺线形导光纤芯1的挠曲变形和转向,并起到传递温度和保护纤芯的效果。
优选的,本实用螺线形导光纤芯传感器3埋设在防渗体4的背水侧,其中导光纤芯1的端头通过监测信息传递光缆5与温度光纤测读仪6的信号输入端连接。
本实用新型所述螺线形导光纤芯传感器3既可单独使用,亦可与土工膜等防渗卷材结合使用。
由于光谱分析仪器的制约,直线形纤芯的分布式光纤传感器的空间分辨率较低,在保证测温精度的情况下通常大于1m。本实用新型的原理在于:利用渗水带来的温度变化对其渗流场进行长期监测,并设计出一种用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器。研究结果认为:对于测温传感器常用的50/125μm多模光纤而言,弯曲直径≥5mm时损耗很低,因此能够绕制成直径较小的螺线形连续传感器;其空间分辨率R(m)优于:R≈1/(Dπφ) ,式中D---绕线密度(Turns/m),π---圆周率,φ---螺线的管直径(m);密集排绕时 D≈1/d ,式中d---光纤的外径(m),故最优分辨率R M ≈d/(πφ)。按照极限条件举例:若采用直径50μm的直线形光纤密集排绕成直径5mm的螺线形导光纤芯1,则可算得R M ≈3.18mm ;亦即,采用此法在理论上可将直线形光纤传感器的空间分辨率提高314倍,并且能够根据各种需要,在螺线形导光纤芯传感器上进行随意密集或者稀疏的监测点设定。
本实用新型的有益效果是:
(1)针对分布式光纤温度传感器,解决了直线形纤芯的空间分辨率太低的难题。此前由于光谱分析仪器的制约,直线形纤芯的分布式光纤传感器的空间分辨率较低,在保证测温精度的情况下通常大于1m,由于防渗体之后尚有数十至数百米的缝隙转向和渗流扩散,这个分辨率对于确定防渗体的破损位置而言精度太低,将造成很大的修复开挖工程量并耗费宝贵的抢险时间。本实用新型依据前述理论计算和试验分析结果,可将传感器的空间分辨率优化300倍以上,理想条件下可达3.18mm。
(2)解决了现场圈绕光纤成本太高、可能断路的难题。此前为了提高传感器的空间分辨率,通常在现场将1m左右的直芯光纤复绕成较小直径的圆圈或者8字形,作为固定大小的监测点---温度监测探头。如此虽然理论上可以提高传感器的空间分辨率,但不仅大大增加了温度监测探头的现场制作成本,还将因大量的探头绕制而明显增加纤芯断路的风险。本实用新型设计的螺线形纤芯及其外周包裹的直线形套管均在工厂定型量产,既能在保证绕制、包裹质量的前提下降低传感器的成本,同时螺线还在很大程度上增加了传感器整体的柔韧变形能力,由此将显著提升其在现场配合岩土施工的可靠度。
(3)解决了间隔式圈绕光纤体积太大、监测点较为稀疏的难题。前述圈绕的温度监测探头虽然在理论上可以提高传感器的空间分辨率,但对于探头与探头之间的岩土空间依然很为难:倘若探头之间的距离太大,例如大于1m,则空间分辨率实际上并没有得到改善;倘若探头之间的距离太小,又会抵消直线形光纤传感器的“细小”优势,为此不仅需要先试验分析密集的较大探头对工程主体的扰动和诱渗劣势,而且致使用这种探头布设的监测点较为稀疏,仍难以满足重要工程的抢险定位要求。本实用新型设计的螺线形导光纤芯传感器直径很小(可细至5mm),变形能力强,故对岩土体的扰动较小;而且这种光纤上的传感器是连续分布的,可以根据工程需要进行任意间隔的密集设定,因此大大提高了渗流监测的定位精度,能够预警渗流病害,有效防范异常渗流导致的岩土滑坡或堤坝溃塌灾难。
综上所述,本实用新型的主要特点包括:空间分辨率高,定位精度可优于4mm;螺线形结构的拉伸或挠曲性能好,能够适应工程主体的各种变形;传感器直径很小(可细至5mm),对岩土体的扰动小。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图;
图2是本实用新型的应用流程图。
图中:1-导光纤芯,2-传热套管,3-螺线形导光纤芯传感器,4-防渗体,5-监测信息传递光缆,6-温度光纤测读仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本实用新型作进一步说明,但本实用新型的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器(如图1所示),包括导光纤芯1、传热套管2,导光纤芯1由光纤单排密绕形成螺线形结构,导光纤芯1外面包裹传热套管2,导光纤芯1与传热套管2之间紧密贴合。
本实施例所述传热套管2为直线形软管,由高导热硅胶片制成,能够适应螺线形纤芯1的挠曲变形和转向,并起到传递温度和保护纤芯的效果。
本实施例所述螺线形导光纤芯传感器3的使用过程如图2所示,与土工膜结合使用时,可在现场施工之前按需要将螺线形导光纤芯传感器3粘贴在防渗体4(土工膜)的背水侧,导光纤芯1的端头通过监测信息传递光缆5与温度光纤测读仪6的信号输入端连接。
本实施例中:所述导光纤芯1采用武汉生产的长飞牌GI50/125μm石英多模光纤,用排线机单排密绕成直径为5mm的空心螺线形结构,其上薄刷武汉生产的WSX弹性纤维粘结剂用以固定形状(量产时,在纤芯的拉丝过程中转动模具,即可直接制成单排螺线形纤芯);传热套管2采用深圳生产的立凡牌0.5mm厚的高导热硅胶片,以管状包裹在纤芯螺线的外周,一起构成螺线形导光纤芯传感器3;防渗体4采用济南生产的顺泰牌HDPE500g复合土工膜,现场铺设;监测信息传递光缆5采用武汉生产的长飞牌GI50/125石英多模光纤,连接螺线形导光纤芯传感器3和温度光纤测读仪6;温度光纤测读仪6采用美国生产的Sensortran系列DTS5100型分布式光纤测温系统,自带尾纤现场与监测信息传递光缆5连接。
实施例2
一种用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器(如图1所示),包括导光纤芯1、传热套管2,导光纤芯1由光纤单排密绕形成螺线形结构,导光纤芯1外面包裹传热套管2,导光纤芯1与传热套管2之间紧密贴合,可在导光纤芯1与传热套管2的贴合面涂抹导热硅脂,但导光纤芯1与传热套管2之间无须粘结。
本实施例所述传热套管2为直线形软管,由碳纤维导热毡制成,能够适应螺线形纤芯1的挠曲变形和转向,并起到传递温度和保护纤芯的效果,如图1所示。
本实施例所述螺线形导光纤芯传感器的使用过程如图2所示,螺线形导光纤芯传感器3直接埋设在防渗体4(混凝土防渗墙)的背水侧岩土之中,纤芯1的端头由监测信息传递光缆5连接至温度光纤测读仪6的信号输入端。
本实施例中:所述导光纤芯1采用中山市生产的卡洛仕牌0.5mm PMMA塑料多模光纤,以直径10mm的塑料棒为模具,手工把光纤单排密绕成内径10mm的螺线形结构,薄刷中山市生产的PE1012型弹性塑料粘合剂用以固定形状,胶干后脱模成空心;传热套管2采用湖州市生产的zame牌50g碳纤维导热毡,以管状包裹在纤芯螺形线的外周,一起构成螺线形导光纤芯传感器3;防渗体4采用C20混凝土防渗墙,现场浇筑;监测信息传递光缆5采用中山市生产的卡洛仕牌0.5mm PMMA塑料多模光纤,现场连接螺线形导光纤芯传感器3和温度光纤测读仪6;温度光纤测读仪6采用杭州市生产的欧忆系列PGWC-L30型分布式拉曼测温系统,在现场与监测信息传递光缆5连接。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明,但是本实用新型并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器,其特征在于:包括导光纤芯(1)、传热套管(2),导光纤芯(1)由光纤单排密绕形成螺线形结构,导光纤芯(1)外面包裹传热套管(2),导光纤芯(1)与传热套管(2)之间紧密贴合。
2.根据权利要求1所述用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器,其特征在于:在导光纤芯(1)与传热套管(2)的贴合面涂抹导热硅脂,但导光纤芯(1)与传热套管(2)之间无须粘结。
3.根据权利要求1所述用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器,其特征在于:所述导光纤芯(1)采用石英多模光纤或者塑料光纤制备得到,导光纤芯(1)的螺线圈直径≥5mm。
4.根据权利要求1所述用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器,其特征在于:所述传热套管(2)采用导热碳纤维、导热塑料、不锈钢薄片或者导热硅胶制成。
5.根据权利要求1所述用于密集监测渗流的螺线形导光纤芯传感器,其特征在于:螺线形导光纤芯传感器(3)埋设在防渗体(4)的背水侧,其中导光纤芯(1)的端头通过监测信息传递光缆(5)与温度光纤测读仪(6)的信号输入端连接。
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200512 Termination date: 20210605 |
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