CN215893541U - 一种基于光纤感测技术的角度位移计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤感测技术的角度位移计，其特征在于，该角度位移计包括导轮系统；传感光缆缠绕在所述导轮系统上；所述导轮系统和传感光缆间置有高强度环氧粘结剂；空心连接杆之间通过导轮系统和传感光缆连接，所述导轮系统安装在所述空心连接杆上，所述传感光缆穿过空心连接杆；所述传感光缆通过光纤跳线连接解调仪。针对当前技术无法准确实现滑坡内部位移分布式监测，提供一种基于光纤感测技术的角度位移计，该角度位移计能实现滑坡内部位移分布式监测，且减小了结构的应变通过粘合层的变形传递到光纤传感器过程中的应变损失。

Description

一种基于光纤感测技术的角度位移计

技术领域

本实用新型涉及一种基于光纤感测技术的角度位移计，属于坡内位移检测技术领域。

背景技术

滑坡灾害的发生会造成巨大的人员伤亡和经济损失。滑坡受到各种因素的作用和影响，例如降雨、库水位、岩土体性质等，因此难以精准判断滑坡灾害的发生时间。滑坡失稳通常伴随着明显位移，因此，滑坡位移的精准监测在滑坡灾害防治和预警工作中显得至关重要。

滑坡位移监测可以分为坡表位移监测和坡内位移监测。坡表位移监测手段(GPS、GIS、RS、SAR)可以对边坡表面某点位移精准监测，但不能获取滑坡内部变形信息。坡内的位移监测主要通过测斜管和测斜仪实现滑坡内部位移的监测。传统的测斜仪由于监测精度、监测效率、抗干扰等方面存在一些不足，难以满足目前滑坡监测的需求。

光纤感测是近年来迅速发展起来的一种以光纤为媒介，光为载体的新型传感技术，相比于传统的监测技术其具有灵敏度高、抗电磁干扰、监测距离长、成本低等一系列优点，目前已广泛应用于石油化工、航空航天、水利水电、土木、地质等工程领域。

常用的光纤感测技术包括OFDR、OTDR、BOTDR、BOTDA、UWFBG等。OFDR技术是一种基于瑞利散射光变化的光纤应变量测技术,基本原理是利用连续可调谐激光源，该光源发出可调谐扫频光，光束进入耦合器分成两束光，一束光进入参考臂，成为参考光；另外一束光进入测试光纤，两束光遇到光纤中的不均匀介质会发生散射，最终两束光中的后向瑞利散射和菲尼尔反射光会反射回来发生干涉，干涉光中便会携带两束光的频率差和相位差，在光电探测器表面被探测，经过后期数据处理便可以得到光纤中携带的各种信息，比如光纤长度、应变量、光纤断裂、熔接点等。

密集分布式光纤(UWFBG)又称弱光栅，它的基本原理是基于时分复用技术，单一光纤经在线拉丝刻栅技术或静态式侧面曝光刻写技术可制成数千个相同周期的光纤光栅点的密集分布式光纤。该特种光纤通过弱光栅波长调制后经光时域反射测量技术进行定位即可实现与高精度的温度和应变测量，其应变/温度感测原理与FBG原理相同，即入射光中满足布拉格衍射条件的光经光栅后被耦合反射，不满足该条件的入射光则会直接透过该光栅区域，从而在反射光谱中表现为出现波长峰值的形态，而当纤芯所处环境温度或光纤沿轴线发生应变变化时会使得其有效折射率及栅距发生改变，从而引起反射光中心波长产生漂移变化，即可对温度和应变实现精确感知。此外由于密集分布式光纤的栅点间距小、数量多，可实现分布式连续测量的效果，因其还具有常规FBG不具备的长距离分布式监测的优势。

由上述分析，可明显看出，当前技术无法准确实现滑坡内部位移分布式检测，且传统的检测技术存在灵敏度低、不能抗电磁干扰、监测距离短、成本高的问题。

实用新型内容

为克服上述技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种基于光纤感测技术的角度位移计。

本实用新型提供了如下的技术方案：

一种基于光纤感测技术的角度位移计，其特征在于，该角度位移计包括导轮系统；传感光缆缠绕在所述导轮系统上；所述导轮系统和传感光缆间置有高强度环氧粘结剂；空心连接杆之间通过导轮系统和传感光缆连接，所述导轮系统安装在所述空心连接杆上，所述传感光缆穿过空心连接杆；所述传感光缆通过光纤跳线连接解调仪。

具体的，所述导轮系统包括固定轮，转动轮，所述固定轮通过连接构件和固定螺栓安装在转动轮上。

具体的，所述固定轮安装在所述空心连接杆的一端，所述转动轮活动安装在另一空心连接杆的一端。

具体的，所述固定轮的直径等于所述转动轮的直径。

具体的，所述高强度环氧粘结剂为高强度环氧树脂。

具体的，传感光缆之间进行串联，组成关节式角度位移计。

基于上述装置，本实用新型还提出了所述角度位移计的安装方法，包括以下步骤：

步骤一，利用光纤拉拔试验确定所使用的传感光缆的临界嵌入长度，为确保传感光缆与导轮系统通过高强度环氧粘结剂粘合处的胶体始终处于弹性变形阶段；

步骤二，所述固定轮通过连接构件和固定螺栓安装在转动轮上；

步骤三，将固定轮安装在空心连接杆的一端，将转动轮安装在另一空心连接杆的一端，其中固定轮无法转动，转动轮则可以绕着转动中心自由转动；

步骤四，传感光缆从空心连接杆两端的小孔穿入空心连接杆，所述传感光缆须按照计算的嵌合长度在固定轮上缠绕后引出，再至转动轮上缠绕，最后穿过连接杆与另一组导轮系统或解调设备相连；

步骤五，所述传感光缆缠绕至导轮系统上时需要先预拉，并用夹具固定，在导轮系统和传感光缆间涂抹高强度环氧粘结剂进行固定，待高强度环氧粘结剂完全凝固后撤下夹具，再用仪器检测确保传感光缆受拉稳定；

步骤六，最后将所述传感光缆通过光纤跳线连接解调仪。

本实用新型的有益效果是：

1.针对当前技术无法准确实现滑坡内部位移分布式监测，提供一种基于光纤感测技术的角度位移计，相较于传统监测方式只能实现剪切带位置的位移计算，本实用新型可以将多个角度计串联组成关节型光纤位移传感器，能够较好的实现滑坡内部分布式位移监测，且减小了结构的应变通过粘合层的变形传递到光纤传感器过程中的应变损失；

2.光纤传感是近年来迅速发展起来的一种以光纤为媒介，光为载体的新型传感技术，相比于传统的监测技术，本实用新型结构简单，易于安装，由于采用光纤传感技术即灵敏度和精度高，可靠性强；由于不涉及电流电磁即能抗电磁干扰，安全性能好；由于能够实现在复杂条件下对滑坡内部进行分布式位移监测即能够实现监测距离长、成本低的优点；

3.本实用新型实现将光纤传感用于边坡位移监测领域，通过分析解调设备获得的应变数据与连接杆转动的角度间的关系，并根据勾股定理计算出连接杆端部的水平位移量，从而实现边坡内部位移监测。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型提出的基于光纤感测技术的角度位移计的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中基于光纤感测技术的新型角度位移计的工作原理图；

图3是本实用新型实施例中室内拉拔试验示意图；

图4是本实用新型实施例中不同荷载等级下的光缆应变分布图；

图5是本实用新型实施例中光缆端部应变分布图；

图6是本实用新型实施例中光缆拉伸应变理论值与测试值对比图；

图7是本实用新型实施例中角度位移计的土体剪切试验示意图；

图8是本实用新型实施例中土体剪切模拟实验结果图。

图中标记为：101、导轮系统；101-1、固定轮；101-2、转动轮；102、空心连接柱；103、传感光缆；104、光纤跳线；105、解调仪；

2、高强度环氧粘结剂；3、拉伸计；4、夹具；5、千分表；6、角度位移计。

具体实施方式

如图1所示，一种基于光纤感测技术的角度位移计，其特征在于，该角度位移计包括导轮系统101；传感光缆103缠绕在所述导轮系统101上；所述导轮系统101和传感光缆103间置有高强度环氧粘结剂2；空心连接杆102之间通过导轮系统101和传感光缆103连接，所述导轮系统101安装在所述空心连接杆102上，所述传感光缆103穿过空心连接杆102；所述传感光缆103通过光纤跳线104连接解调仪105。

优先的，所述导轮系统101包括固定轮101-1，转动轮101-2，所述固定轮101-1通过连接构件107和固定螺栓106安装在转动轮101-2上。所述固定轮101-1安装在所述空心连接杆102的一端，所述转动轮101-2活动安装在另一空心连接杆102的一端。所述固定轮101-1的直径等于所述转动轮101-2的直径。

优先的，所述高强度环氧粘结剂2为高强度环氧树脂。

具体的，将多个传感器进行串联，组成关节式角度位移计，从而进行长距离角度位移测量。

基于上述装置，本实用新型还提出了所述角度位移计的安装方法，包括以下步骤：

步骤一，利用光纤拉拔试验确定所使用的传感光缆103的临界嵌入长度，为确保传感光缆103与导轮系统101通过高强度环氧粘结剂2粘合处的胶体始终处于弹性变形阶段；

步骤二，所述固定轮101-1通过连接构件107和固定螺栓106安装在转动轮101-2上；

步骤三，将固定轮101-1安装在空心连接杆102的一端，将转动轮101-2安装在另一空心连接杆102的一端，其中固定轮101-1无法转动，转动轮101-2则可以绕着转动中心自由转动；

步骤四，传感光缆103从空心连接杆102两端的小孔穿入空心连接杆102，所述传感光缆103须按照计算的嵌合长度在固定轮101-1上缠绕后引出，再至转动轮101-2上缠绕，最后穿过连接杆102与另一组导轮系统101或解调设备105相连；当传感光缆103穿过连接杆102与另一组导轮系统101相连时，即可形成关节式角度位移计；

步骤五，所述传感光缆103缠绕至导轮系统101上时需要先预拉，并用夹具4固定，在导轮系统101和传感光缆103间涂抹高强度环氧粘结剂2进行固定，待高强度环氧粘结剂2完全凝固后撤下夹具4，再用仪器检测确保传感光缆103受拉稳定；

步骤六，最后将所述传感光缆103通过光纤跳线104连接解调仪105。

由于所述传感光缆103包括但不限于分布式光纤、准分布式光纤等，根据不同的分布式光纤技术原理可以采用不同的解调设备对信号进行处理，主要包括BOTDR、BOTDA、OFDR、UWFBG等，并且根据不同的传感光缆103进行光纤拉拔试验得到不同光纤的临界嵌入长度。

本实用新型的工作原理为：

如图2所示，当空心连接杆102端部发生了Δl的水平位移，由三角函数关系可知：

其中，ɑ为导轮转动的角度，S为两个导轮中心的距离。

由弧长公式可知：

其中Δw为弧长，r为导轮半径。

光纤拉伸侧和压缩侧应变分别为：

其中εT为光缆受温度影响产生的应变。

联立(3)、(4)可以消除温度影响：

联立(1)、(2)、(5)可得：

通过光纤应变ε与位移量Δl、转动角度θ的关系，即可根据采集的应变数据计算出角度、位移变化量。

由于所述传感光缆103在导轮系统101上的嵌合长度需要事先通过室内拉拔试验确定，以确保在应变传递过程中，胶体始终处于弹性变形阶段，减小结构的应变通过粘合层的变形传递到光纤传感器过程中的应变损失，做到光纤与胶体协同变形，提高传感器的测量精度。

上述室内光纤拉拔试验具体为：

如图3所示，设计光缆拉拔实验装置，该实验采用直径为0.9mm的传感光缆103，高强度环氧粘结剂2为高强度环氧树脂，分别取传感光缆103两端长度b固定在两个刚性机构上，此时所述长度b取50mm，刚性结构分别固定在夹具4和拉伸计3上。通过拉伸计移动刚性结构，对传感光缆103施加荷载，取10级荷载。采用OFDR仪器，所述OFDR仪器的空间分辨率为1mm、精度为±5με，进行数据采集。

传感光缆103的应力等于应变与弹性模量的乘积，因此传感光缆103应变分布曲线变化规律与应力变化曲线规律一致。由图4可知，传感光缆103中部应变分布较为均一，在涂胶段，传感光缆103的应变逐渐减小至零，且随着荷载等级的增加，应变相应的增加。为了更加准确的了解其变化规律，将应变曲线右侧放大得到图5，前6次加载过程中，应变曲线的变化规律较为一致，当荷载继续增加时，应变曲线出现不规则变化，部分应变增大，具有应变的范围增大。分别选取1.225m、1.25m、1.275m三处分析应变与荷载等级的关系。

由图6可知，在荷载等级小于6级时，各处的应变与荷载等级为线性关系，而当荷载继续增加时，1.25m和1.275m处的应变突然增大，且变化规律不一致。这是由于在荷载等级6级之前，胶体为弹性变形阶段，整体变化趋势呈现线性趋势，当荷载继续增加，胶体出现塑性变形区域，局部可能出现微裂隙，因此出现了应变变化不均一的现象。此外，由于弹性阶段的提供剪切应力的光缆长度不足与更大的荷载保持平衡，因此应变向外延伸了一定距离，使光缆达到静力平衡。

如图6所示，将光缆中部的应变测量值与理论值进行对比，在胶体弹性变形阶段，测量值和理论值较为吻合，且误差呈线性变化；由弹性变形过渡到塑性变形时，误差突然增加，且误差与荷载等级呈明显的非线性。胶体弹性变形阶段误差较小且为线性，可以通过室内标定实验提高精度。而塑性变形阶段，误差较大且为非线性，对传感器的精度和准度带来影响。

基于上述分析，0.9mm应变光缆，在1m的有效测量长度下，其临界嵌入长度为11cm，即弹性变形阶段的最大嵌入长度，光缆弹性变形阶段应变范围为0-6000με。假设S＝1m、r＝1cm,由式(2)和式(5)可得，传感器固定段胶体处于弹性变形阶段时，标定后倾角误差范围为±0.054°，胶体存在塑性变形后，标定后倾角误差为±0.343°。

因此，当胶体处于弹性变形阶段，通过室内标定，可以将光缆固定段的应变传递带来的误差降低至较小的范围。

为了确定传感光缆103的光纤应变值与转动角度、位移量的关系，并为了对使用该角度位移计6的准确度进行检测，从而进行对该新型角度位移计6的标定试验。

试验步骤为：在连接杆下方放置升降台，逐级施加竖向变形量，每次增量为5mm，到达最大位移量90mm后进行卸载，亦是按5mm的级别逐级递减，直到到达原始5mm量级，每一次的移动均使用OFDR解调装置检测传感器内部应变变化。取稳定段的拉应变和压应变的均值作为对应结果，角度位移计应变和角度、位移线性拟合关系如下表：

表1：角度位移计应变比例系数表(线性拟合结果)

由表1可知，角度位移计的应变和角度、位移的线性拟合度均为1.0000，可知通过应变值计算得出的角度变化值、位移量精确。

上述标定试验中，为了提高应变与角度、位移的线性拟合度，需要尽量减小结构的应变通过粘合层的变形传递到光纤传感器过程中的应变损失，因此，本实用新型基于Cox提出的剪切滞后模型，光缆两端通过粘合剂粘贴至刚性结构体表面，若纤维与基体粘贴完好，当两刚性体发生相对移动，作用在光缆上的应力将通过光缆与胶体的界面传递。若假设界面完好且厚度无限性小，胶体与光纤均为弹性变形，光纤中的应力σ与界面切应力τ分别为：

其中E为光缆的弹性模量，G为胶体的剪切模型，a和R分别是光缆的半径、胶体的厚度，x是光缆长度的变化，r为胶体的变形速率，l为光缆的长径比，β为常数。

在涂胶段的开始，拉应力最大；切应力最小，光缆与胶体协同变形，层间剪切力较小；涂胶段的端部，拉应力逐渐减小至零，切应力则增加至最大，光缆与胶体层间存在剪切变形，剪切力较大。因此，光缆在假定的最大荷载水平，保持静力平衡所需固定段长度视为临界嵌入长度。当荷载超过粘合剂的弹性阈值时，涂胶段则会出现塑性区，这一模型将不再适用。

此时，本文通过光缆的拉拔实验研究光缆固定段应变传递对传感器精度的影响，已确定光缆的临界嵌入长度、以及符合光缆和胶体弹性变形阶段的荷载范围，确保光纤与导轮粘合处的胶体在装置工作过程中始终处于弹性变形阶段，为传感器设计提供参考。

为了更加准确的确认该装置的适用性，进一步进行土体剪切试验，在土体中确认该实用新型的适用性和精确性，实验装置如图7所示，实验步骤如下：

步骤一：在场地内堆积土坡(长3.5m,宽0.3m,高0.3m)，将多个角度位移计6串联组成关节型角度位移传感器，并放置在距坡顶0.2m处，之后进行填土。

步骤二：在土体一侧安放4个千分表5来监测土体的实际位移，在另一侧安放千斤顶。

步骤三：利用千斤顶移动放置在土体下放的木板(宽1.1m)实现对土坡模型的剪切，利用OFDR监测传感器数据，利用千分表记录真实剪切位移，通过对比千分表和光纤传感器的监测数据，验证光纤传感器的监测效果。

图8为光纤传感器与百分表的监测结果对比图，从图中可知看出在土体的剪切位移较小时，光纤传感的监测结果与百分表结果较为一致，精度较高(图1中荷载等级1-3)。而当荷载等级增加时，光纤传感器的监测结果与百分表结果表现不一致，且随着荷载的增加误差逐渐增大。在实验过程中，在荷载等级4时，模型在木板边缘出现了微裂隙，随着荷载等级的提升，裂隙也逐渐增多，在最后一级荷载时，可以在木板两侧观察到明显的多条裂缝。在荷载等级较小时，土体变形较小，传感器的移动与土体变形较为一致，当土体变形较大时，土体出现了裂隙，随着裂隙的增加，此时光纤传感器的监测结果大于百分表结果，最大误差值为5.7mm。

综上所述，所述角度位移计的原理如下：当连接杆受力发生转动时，同时也会带动导轮转动，并使传感光缆的应变发生改变，解调仪采集到的应变数据，通过计算便可以将应变数据转换成角度值，并根据勾股定理计算出连接杆端部的水平位移量。

所述传感光缆往往需要避免环境温度变化给应变测量带来的影响，在连接杆带动导轮转动时，所述传感光缆一侧为拉伸侧，另一侧为压缩侧，二者采集的应变数值相减并求平均值便可以消除温度误差，得到准确的应变值。

最后通过分析解调设备获得的应变数据与连接杆转动的角度间的关系，并根据勾股定理计算出连接杆端部的水平位移量，从而实现边坡内部位移监测。

本实用新型提供了一种用于基于光纤感测技术的角度位移计，在上述实施例中采用的光纤感测技术为OFDR技术，应当指出的是，包括但不限于BOTDR、BOTDA、UWFBG等分布式或准分布式光纤感测技术也同样适用，因此其他光纤感测技术在本实用新型中的应用也应视为本实用新型的保护范围。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光纤感测技术的角度位移计，其特征在于，该角度位移计包括

导轮系统(101)；

传感光缆(103)，缠绕在所述导轮系统(101)上；

高强度环氧粘结剂(2)，所述导轮系统(101)和传感光缆(103)间涂抹有高强度环氧粘结剂(2)；

空心连接杆(102)，所述空心连接杆(102)之间通过导轮系统(101)和传感光缆(103)连接，所述导轮系统(101)安装在所述空心连接杆(102)上，所述传感光缆(103)穿过空心连接杆(102)；

解调仪(105)，所述传感光缆(103)通过光纤跳线(104)连接解调仪(105)。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤感测技术的角度位移计，其特征在于，所述导轮系统(101)包括固定轮(101-1)，转动轮(101-2)，所述固定轮(101-1)通过连接构件(107)和固定螺栓(106)安装在转动轮(101-2)上。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤感测技术的角度位移计，其特征在于，所述固定轮(101-1)安装在所述空心连接杆(102)的一端，所述转动轮(101-2)活动安装在另一空心连接杆(102)的一端。

4.根据权利要求2所述的一种基于光纤感测技术的角度位移计，其特征在于，所述固定轮(101-1)的直径等于所述转动轮(101-2)的直径。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤感测技术的角度位移计，其特征在于，所述高强度环氧粘结剂(2)为高强度环氧树脂。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于光纤感测技术的角度位移计，其特征在于，传感光缆(103)之间进行串联，组成关节式角度位移计。

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