CN213748292U - 基于弱光栅的深部变形监测装置 - Google Patents

Abstract

基于弱光栅的深部变形监测装置，该装置包括弱光栅应变光缆、弱光栅温度光缆、温度传感器、解调仪；所述弱光栅应变光缆、弱光栅温度光缆、温度传感器均连接解调仪，解调仪分别连接无线路由器、物联网模块，无线路由器连接云平台服务器。在钻孔中布设弱光栅应变光缆和弱光栅温度光缆，弱光栅应变光缆和弱光栅温度光缆一起构成弱光栅监测光缆；回填钻孔；使弱光栅应变光缆的受力节点与周围岩土体充分耦合，通过监测弱光栅应变光缆和弱光栅温度光缆各弱光栅的波长变化，实现深部变形和温度的一体化监测。本实用新型能够精确监测到不同深度岩土体的分层变形和土体温度，达到温度和应变双参数测量目的。

Description

基于弱光栅的深部变形监测装置

技术领域

本实用新型涉及地质环境监测技术领域，具体涉及一种基于弱光栅的深部变形监测装置。

背景技术

我国是滑坡灾害的多发国家，监测滑坡是防灾减灾的重要措施之一,它能够保证滑坡防治工程中的施工安全,同时可以验证并优化设计方案,也是滑坡预测预报的重要依据；地下资源的开采往往容易引起岩土体变形，引起地面不均匀沉降、地面塌陷等灾害。在滑坡监测、地面沉降监测等工程中，有时需要对灾害体深部变形进行全方位的立体监测，因此选择有效的钻孔剖面岩土体变形测量方法尤其重要。

现在深部位移监测中采用的主要方法有钻孔倾斜测量仪、应变管监测技术、时间域反射仪、光纤位移计等。钻孔倾斜测量仪监测使用较为广泛，需要专业技术人员进行现场操作，使用成本高、远程监控难; 应变管监测技术通过测量应变片电阻值进行测量，容易受到腐蚀及环境干扰；时间域反射仪测量方法在滑移面的位移测量中难度较大；光纤位移计在使用时对技术及环境要求较高。总体来说以上几种方法均能对滑坡体深部位移进行监测，但是也存在操作人员技术要求高、监测成本投入大、监测实时性不好等问题。

目前地面沉降深部监测采用的主要方法有水准测量技术、GPS技术、InSAR技术。水准测量技术是一种传统的测量方法，对设备要求不高，但是工作量很大，每完成一次水准测量需花费大量的人力物力，不适合频率较高的长期地面沉降监测工作；而GPS技术由于GPS定位精度受多方面影响，因此提高测量精度是目前的主要问题；InSAR技术的测量精度也受多种因素的影响；总的来说以上方法存在工作量大，监测成本投入大，测量精度不高的问题。

随着光电子器件的逐步发展和革新，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、响应快、重量轻、体积小、外形可变、传输带宽大以及可复用实现分布式测量等突出优点的光纤传感技术，在高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测方面有着广泛的应用。

基于弱光栅的FBG技术却可以很好的克服现今监测技术的主要问题，实现准分布式的宏观细观同步网络检测，对于深入研究深部变形过程，提高对灾害体的进一步认识有着重要的意义。我国2004年以后将分布式光纤传感技术应用于地质灾害监测，并取得了不错的效果。作为新型传感技术的弱光栅传感技术，通过研制低反射率弱光栅，提高通道复用率，使得大规模FBG传感网络成为可能，且反射率越低，复用的光栅数量越多。

发明内容

针对现有技术中滑坡深部监测及地面沉降深部监测存在的问题。本实用新型提出了一种基于弱光栅的深部变形监测装置，能够精确监测到不同深度岩土体的分层变形和土体温度，达到温度和应变双参数测量目的。并能通过无线传输模块和物联网控制模块实现对监测装置进行远程监控，实现了对温度和应变数据实时监控、实时传输、以及数据线上动态展示。

本实用新型采取的技术方案为：

基于弱光栅的深部变形监测装置，包括：

弱光栅应变光缆、弱光栅温度光缆、温度传感器、解调仪；所述弱光栅应变光缆、弱光栅温度光缆、温度传感器均连接解调仪，解调仪分别连接无线路由器、物联网模块，无线路由器连接云平台服务器。

所述解调仪、无线路由器、物联网模块均连接供电模块。

所述弱光栅应变光缆包括第一超弱光栅阵列，所述第一超弱光栅阵列由光纤采用非剥皮工艺在线刻写而成，第一超弱光栅阵列包括多个反射率在0.1%~0.01%之间的第一弱光栅单元；第一超弱光栅阵列由内层至外层、依次包裹有螺旋铠、编织层、外护套；

所述弱光栅应变光缆中，在每两个第一弱光栅单元之间，通过环切去除外护套露出螺旋铠和光纤，通过点胶方式将保护壳、螺旋铠与光纤纤芯固化，构成受力节点。

所述弱光栅温度光缆包括第二超弱光栅阵列，所述第二超弱光栅阵列由光纤采用非剥皮工艺在线刻写而成，第二超弱光栅阵列包括多个反射率在0.1%~0.01%之间的第二弱光栅单元；第二超弱光栅阵列包裹有涂覆层，置于无缝钢管内，处于松弛状态并填充油膏，最外层设置外护套；

多个第二弱光栅单元位置与多个第一弱光栅单元位置一一对应。

所述温度传感器布设在弱光栅温度光缆的第二弱光栅单元的附近，用于弱光栅温度光缆温度测量的校正。

所述物联网模块，用于定时启动或关闭解调仪、或者从云平台服务器接收命令启动或关闭解调仪。物联网模块包括网络继电器模块、开机自启动模块、DC/DC转换器；网络继电器模块通过无线方式与云平台服务器实现交互，网络继电器模块输出端与开机自启动模块相连，DC/DC转换器与网络继电器模块和开机自启动模块相连，开机自启动模块与解调仪相连。

基于弱光栅的深部变形监测方法，在钻孔中布设弱光栅应变光缆和弱光栅温度光缆，弱光栅应变光缆和弱光栅温度光缆一起构成弱光栅监测光缆；回填钻孔；使弱光栅应变光缆的受力节点与周围岩土体充分耦合，通过监测弱光栅应变光缆和弱光栅温度光缆各弱光栅的波长变化，实现深部变形和温度的一体化监测。

本实用新型一种基于弱光栅的深部变形监测装置，技术效果如下：

1）弱光栅应变光缆和弱光栅温度光缆一起构成弱光栅监测光缆，弱光栅应变光缆用于深部不同层位变形信息的测量；弱光栅温度光缆用于深部不同层位温度的测量，也用于弱光栅应变光缆的温度矫正。

2）弱光栅应变光缆能满足深度不同层位变形信息的测量。

3）弱光栅应变光缆的端部、弱光栅温度光缆的均连接导锤，导锤一是起到配重安装作用、二是保护监测光缆在安装时避免与钻孔内壁摩擦损坏。

4）多个第二弱光栅单元位置与多个第一弱光栅单元位置一一对应，起到了温度补偿的作用，通过光纤光栅解调仪测出同一深度应变光栅和温度光栅的波长变化，由于两者处于同一深度，因此所处的温度场基本相同，消除了由温度变化引起的应变光栅波长的漂移，可单独得到由深度应变引起的波长变化。消除了弱光栅应变光缆的温度和应变的交叉影响，能同时满足对不同深度温度和应变的双参数测量。

5）温度传感器起到温度矫正的作用。温度传感器能够精确的测出特定深度的温度，但由于传统温度光缆的标定的温敏系数具有一定误差，导致测出温度变化产生波长的变化转化为实际温度值时有一定误差，可以采用温度传感器测出的温度对温敏系数进行校准，起到温度矫正的作用。

6）本实用新型能够精确监测到不同深度岩土体的分层变形和土体温度，达到温度和应变双参数测量目的。并能通过无线传输模块和物联网控制模块实现对监测装置进行远程监控，实现了对温度和应变数据实时监控、实时传输、以及数据线上动态展示。

附图说明

图1为本实用新型监测装置整体结构示意图；

图2为本实用新型监测装置的物联网模块结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，基于弱光栅的深部变形监测装置，包括：

弱光栅应变光缆1、弱光栅温度光缆2、温度传感器3、解调仪4；

所述弱光栅应变光缆1、弱光栅温度光缆2、温度传感器3均连接解调仪4，解调仪4分别连接无线路由器5、物联网模块6，无线路由器5连接云平台服务器8。具体是：

无线路由器5通过网线与解调仪4连接，无线路由器5通过WIFI与物联网模块6连接，无线路由器5通过4G网络与云平台服务器8进行通讯连接。

所述解调仪4、无线路由器5、物联网模块6均连接供电模块7。供电模块7包括太阳能板、锂电池、DC/DC转换器，供电模块7用于为解调仪4供电、以及为无线路由器5和物联网模块6提供稳定的19V电源。

无线路由器5采用TR321-A TDD/FDD ROUTER双网口工业路由器。

云平台服务器8采用IBM System x3500 M4服务器。

所述弱光栅应变光缆1包括第一超弱光栅阵列，所述第一超弱光栅阵列由抗弯区光纤采用非剥皮工艺在线刻写而成，第一超弱光栅阵列包括多个反射率在0.1%~0.01%之间的第一弱光栅单元1.1。第一超弱光栅阵列由内层至外层、依次包裹有螺旋铠、编织层、外护套。具体参数如下：

多个第一弱光栅单元1.1间距依据深部变形监测需求在2-5米之间，再分两次紧包涂覆后的直径为0.9mm；金属螺旋铠为宽1mm、厚0.3-0.35mm的304不锈钢带卷绕成外径2.8mm的螺旋铠管；编织层由16组、每组3根0.07mm不锈钢丝编制而成；外护套为热塑型聚氨酯TPU工程塑料，厚度大于0.8mm。

所述弱光栅应变光缆1中，在每两个第一弱光栅单元1.1之间，通过环切去除外护套露出螺旋铠和光纤，通过点胶方式将保护壳、螺旋铠与光纤纤芯固化，构成受力节点1.2。

所述弱光栅温度光缆2包括第二超弱光栅阵列，所述第二超弱光栅阵列由光纤采用非剥皮工艺在线刻写而成，第二超弱光栅阵列包括多个反射率在0.1%~0.01%之间的第二弱光栅单元2.1。这种设计结合光纤光栅的波分/时分复用技术，能实现根据测温的空间间隔要求，灵活定制传感单元的间距。具体参数如下：

多个第二弱光栅单元2.1间距依据深部变形监测需求在2-5米之间，光纤紧包涂覆层的直径0.17～0.20mm；第二超弱光栅阵列光纤放在一根不锈钢无缝钢管内，处于松弛状态并填充油膏；外护套为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。

多个第二弱光栅单元2.1位置与多个第一弱光栅单元1.1位置一一对应。

所述温度传感器3布设在弱光栅温度光缆2的第二弱光栅单元2.1的附近，用于弱光栅温度光缆2温度测量的校正。温度传感器3采用铂电阻温度传感器。

所述解调仪4为多通道超弱光栅分析解调仪，能同时对4通道、每通道多达3000个的超弱光栅阵列进行分析解调；同时集成铂电阻采集模块，能采集单个铂电阻温度传感器的温度值，用作超弱光栅的温度矫正。解调仪4采用Z-RGS-1光纤光栅解调仪。

所述物联网模块6，用于定时启动或关闭解调仪4、或者从云平台服务器8接收命令启动或关闭解调仪4。

所述物联网模块6包括网络继电器模块6.1、开机自启动模块6.2、DC/DC转换器6.3。

网络继电器模块6.1通过无线方式与云平台服务器8实现交互，网络继电器模块6.1输出端与开机自启动模块6.2相连，DC/DC转换器6. 3与网络继电器模块6.1和开机自启动模块6.2相连，开机自启动模块6.2与解调仪4相连，如图2所示。

网络继电器模块6.1采用HLK-SW2 2路网络继电器。开机自启动模块6.2采用RD01N模块。DC/DC转换器6.3采用URB2412YMD-20WR3 输入24V/输出12V 20W DC-DC 电源模块。

基于弱光栅的深部变形监测方法，在钻孔10中布设弱光栅应变光缆1和弱光栅温度光缆2，弱光栅应变光缆1和弱光栅温度光缆2一起构成弱光栅监测光缆9；回填钻孔；使弱光栅应变光缆1的受力节点1.2与周围岩土体充分耦合，通过监测弱光栅应变光缆1和弱光栅温度光缆2各弱光栅的波长变化，实现深部变形和温度的一体化监测。

基于弱光栅的深部变形监测方法，包括以下步骤：

步骤1、钻孔成孔：

依据监测需求，采用钻机钻孔，钻孔10的直径范围为150-200mm。

步骤2、布设弱光栅监测光缆：

成孔后，在弱光栅应变光缆1、弱光栅温度光缆2连接导锤11，两根光缆穿过导锤上盖后用熔接机熔接在一起，再安装上导锤的外壳。光缆中与导锤11的连接方式、以及导锤11的结构如中国专利“一种钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法”（申请号 :201310399092.0）中记载的：感测光纤与导锤固定，感测光纤的中部缠绕在导锤上，在导锤的两侧对称部位形成一个“U”字型回路，对光纤与导锤头部固定处进行热缩保护。本实用新型在导锤底部设置有一个滑轮。

将带有导锤11的弱光栅监测光缆依靠重力送入钻孔10中，送入过程中，采用钢丝绳9穿过设置导锤11底部的滑轮，通过钢丝绳9控制导锤11下沉，直至将弱光栅监测光缆下放至钻孔10底部；弱光栅监测光缆布设完成后，再抽出钢丝绳9；

步骤3、回填钻孔：

弱光栅监测光缆布置完善后，回填钻孔10，采用膨胀粘土球回填钻孔10，为了保证粘土球能充分与井壁耦合，水位以下每回填20米，静置等待2小时，并准确测量回填到位后再进行下一阶段的回填，水位以上每回填20米，静置等待4小时，使膨胀粘土球充分膨胀，准确测量回填位置后再进行下一阶段回填。

采用膨胀粘土球回填钻孔，膨胀粘土球具有如下特点：

（1）膨胀粘土球材料呈杏核状、粒径在15mm左右，适合小环状间隙围填回填，且围填方便。

（2）水化膨胀比大于200%，可提高材料与监测光缆间的握固力以及材料与钻孔孔壁间的支撑力，从而获得好的耦合效果。

（3）水化膨胀时间长，钠基膨润土新型膨胀粘土球水化膨胀时间大于2小时；钙基膨润土新型膨胀粘土球水化膨胀时间大于0.5小时。可根据成井深度选择不同水化时间的新型膨胀粘土球，以有利回填材料在未水化前准确到达需要回填的部位，从而提高回填精度和紧密度。

步骤4、布设温度传感器3：

回填钻孔10时，在钻孔10最上层一个第二弱光栅单元处布设温度传感器3；

步骤5、布设监测系统：

将弱光栅应变光缆1、弱光栅温度光缆2和温度传感器3连接进解调仪4，再连接无线路由器5、物联网模块6、供电模块7后，放置于户外监测箱内。

Claims (8)

1.基于弱光栅的深部变形监测装置，其特征在于包括：

弱光栅应变光缆（1）、弱光栅温度光缆（2）、温度传感器（3）、解调仪（4）；

所述弱光栅应变光缆（1）、弱光栅温度光缆（2）、温度传感器（3）均连接解调仪（4），解调仪（4）分别连接无线路由器（5）、物联网模块（6），无线路由器（5）连接云平台服务器（8）。

2.根据权利要求1所述基于弱光栅的深部变形监测装置，其特征在于：所述解调仪（4）、无线路由器（5）、物联网模块（6）均连接供电模块（7）。

3.根据权利要求1所述基于弱光栅的深部变形监测装置，其特征在于：所述弱光栅应变光缆（1）包括第一超弱光栅阵列，所述第一超弱光栅阵列由光纤采用非剥皮工艺在线刻写而成，第一超弱光栅阵列包括多个反射率在0.1%~0.01%之间的第一弱光栅单元（1.1）；

第一超弱光栅阵列由内层至外层、依次包裹有螺旋铠、编织层、外护套。

4.根据权利要求3所述基于弱光栅的深部变形监测装置，其特征在于：所述弱光栅应变光缆（1）中，在每两个第一弱光栅单元（1.1）之间，通过环切去除外护套露出螺旋铠和光纤，通过点胶方式将保护壳、螺旋铠与光纤纤芯固化，构成受力节点（1.2）。

5.根据权利要求3所述基于弱光栅的深部变形监测装置，其特征在于：所述弱光栅温度光缆（2）包括第二超弱光栅阵列，所述第二超弱光栅阵列由光纤采用非剥皮工艺在线刻写而成，第二超弱光栅阵列包括多个反射率在0.1%~0.01%之间的第二弱光栅单元（2.1）；

第二超弱光栅阵列包裹有涂覆层，置于无缝钢管内，处于松弛状态并填充油膏，最外层设置外护套；

多个第二弱光栅单元（2.1）位置与多个第一弱光栅单元（1.1）位置一一对应。

6.根据权利要求3所述基于弱光栅的深部变形监测装置，其特征在于：所述温度传感器（3）布设在弱光栅温度光缆（2）的第二弱光栅单元（2.1）的附近，用于弱光栅温度光缆（2）温度测量的校正。

7.根据权利要求1所述基于弱光栅的深部变形监测装置，其特征在于：所述物联网模块（6），用于定时启动或关闭解调仪（4）、或者从云平台服务器（8）接收命令启动或关闭解调仪（4）。

8.根据权利要求1所述基于弱光栅的深部变形监测装置，其特征在于：所述物联网模块（6）包括网络继电器模块（6.1）、开机自启动模块（6.2）、DC/DC转换器（6.3）；

网络继电器模块（6.1）通过无线方式与云平台服务器（8）实现交互，网络继电器模块（6.1）输出端与开机自启动模块（6.2）相连，DC/DC转换器（6.3）与网络继电器模块（6.1）和开机自启动模块（6.2）相连，开机自启动模块（6.2）与解调仪（4）相连。

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