專利名稱：土體深部變形分布式光纖測量方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土工程監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的巖土體深部變形監(jiān)測方法和測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，用于深部巖土體變形監(jiān)測的方法很多，通過埋設(shè)測斜管，使用測斜儀測量巖土體變形是基坑、邊坡等巖土工程變形監(jiān)測的常用方法。當(dāng)巖土體發(fā)生位移時，埋入巖土體中的測斜管隨土體同步位移，測斜管的位移量即為巖土體的位移量。然后，通過將測斜儀探頭沿管內(nèi)導(dǎo)槽插入測斜管內(nèi)，緩慢下滑，按取定的間距逐段測定各量測段處的測斜管與鉛直線的傾角，就能得到土體不同深度的水平位移。
當(dāng)巖土體變形加劇，測試導(dǎo)管彎曲度變大后，移動式測斜儀無法通過導(dǎo)管而使監(jiān)測中斷，無法滿足中后期鉆孔局部大變形的測試要求。移動式測斜要求測斜導(dǎo)管內(nèi)腔盡量光滑規(guī)則，粘有泥沙將導(dǎo)致測斜儀的讀數(shù)誤差。此外，導(dǎo)管扭曲或者導(dǎo)管接頭不對時，會使導(dǎo)輪偏離導(dǎo)槽甚至跳到另一組導(dǎo)槽中，此時，記錄的數(shù)據(jù)很不可靠。盡管移動式測斜探頭的精度較高，但上述原因均會造成了移動式測斜的可靠性降低。

發(fā)明內(nèi)容
針對移動式測斜存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提出一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的巖土體變形的固定式測斜方法及系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的在測斜管的外壁凹槽內(nèi)并行粘貼兩條光纖，其中一條為緊套光纖，拉緊后粘貼于管壁，另一條為松套光纖，松馳地粘貼在同一位置，應(yīng)變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射，散射光的頻移與光纖的應(yīng)變和溫度變化呈很好的線性關(guān)系，在脈沖光的入射端，通過對接受到的布里淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布里淵頻移的測量和定位功能；根據(jù)布里淵頻移與應(yīng)變和溫度之間的線性關(guān)系，可以得到測斜管外表面的應(yīng)變分布和溫度分布，去掉溫度的影響，就得到測斜管的應(yīng)變分布。設(shè)管底為不動點，對上述應(yīng)變分布進行積分運算就得到測斜管的變形或撓度，埋入巖土體中的測斜管隨土體同步位移而發(fā)生變形，得到巖土體的位移。
土體變形分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，由測斜管、分布式光纖傳感線路、布里淵背向散射光數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計算機和數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成；沿著測斜管設(shè)有凹槽，緊套光纖拉緊后粘貼于槽內(nèi)管壁，另一條松套光纖松馳地粘貼在同一位置，測斜管構(gòu)成分布式光纖傳感線路；布里淵背向散射光數(shù)據(jù)采集設(shè)備BOTDR通過GPIB通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與計算機的通信。
具體而言在埋設(shè)測斜管之前，在測斜管的外壁凹槽內(nèi)并行粘貼兩條光纖，其中一條的緊套光纖，用于測斜管外壁應(yīng)變量的傳感，另一條為松套光纖，作為測斜管所處位置的溫度傳感器，用于溫度補償。應(yīng)變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射技術(shù)。光脈沖在光纖中傳播時，會發(fā)生布里淵散射，其中一部分散射光會沿光纖原路返回至脈沖光的入射端，這部分光被稱為布里淵背向散射光。布里淵背向散射光的頻移與光纖的應(yīng)變和溫度變化呈很好的線性關(guān)系。當(dāng)巖土體發(fā)生位移時，埋入巖土體中的測斜管隨土體同步位移而發(fā)生變形，粘貼在測斜管外表面的光纖能夠感應(yīng)到測斜管的變形。在脈沖光的入射端，通過對接受到的布里淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布里淵頻移的測量和定位功能；根據(jù)布里淵頻移與應(yīng)變和溫度之間的線性關(guān)系，可以得到測斜管外表面的應(yīng)變分布和溫度分布。假定管底為不動點，通過對上述應(yīng)變分布進行積分運算就可以得到測斜管的變形或撓度，即巖土體的位移。
基于上述技術(shù)思路，本發(fā)明構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程是，該系統(tǒng)由以下幾部分組成測斜管、分布式光纖傳感線路、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計算機控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。測斜管就采用傳統(tǒng)移動式測斜技術(shù)的測斜管；采用粘結(jié)劑將傳感光纖(包括應(yīng)變量傳感光纖，即緊套光纖，和溫度傳感光纖，即松套光纖)粘貼在測斜管外表面的導(dǎo)槽內(nèi)，構(gòu)成分布式光纖傳感線路；數(shù)據(jù)采集設(shè)備則采用一臺BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer布里淵光時域反射計)，得到傳感光纖的應(yīng)變分布和溫度分布；利用BOTDR提供的GPIB通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與計算機的通信，BOTDR的工作狀態(tài)既可以通過手工控制，也可以受計算機控制，實現(xiàn)完全自動化的數(shù)據(jù)采樣和處理；得到的數(shù)據(jù)文件既可以存貯在BOTDR內(nèi)置的硬盤上，也可以通過BOTDR的通信接口傳送至計算機內(nèi)，由數(shù)據(jù)處理模塊對這些數(shù)據(jù)文件進行分析和計算。
本發(fā)明的最大特點是提供了一種利用分布式光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)深部巖土體變形固定式測量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的第一個優(yōu)點是利用光纖的特性可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測；第二個優(yōu)點是可以將多個測斜孔串接，實現(xiàn)分布式監(jiān)測；第三個優(yōu)點是由于使用了光纖和光信號，可以在潮濕、酸堿等的惡劣環(huán)境下使用；第四個優(yōu)點是可以實現(xiàn)自動監(jiān)測，可以比較迅速地獲得巖土體變形或位移的變化規(guī)律，異常情況下可以報警；第五個優(yōu)點是這種固定式測量系統(tǒng)可以克服移動式測斜的一些缺陷，省時，省力。
四

圖1是測斜管接頭處傳感光纖的布置；圖2是本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)框圖；圖3分布式光纖傳感器與百分表的實測撓度對比圖；五具體實施方式
下面結(jié)合附圖和本發(fā)明依技術(shù)方案所完成的實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述，本發(fā)明不限于這些實施例。
本發(fā)明是一個土體變形的固定式測量系統(tǒng)，涉及基于分布式光纖傳感技術(shù)的深部巖土體變形監(jiān)測方法及系統(tǒng)，包括以下步驟1)沿測斜管外表面的兩道凹槽分別并行布設(shè)兩條傳感光纖，一條為緊套光纖，另一條為松套光纖，分別對測斜管外表面的應(yīng)變和溫度進行測量；2)將兩道凹槽內(nèi)的緊套光纖和松套光纖分別在管底處熔接，由地面上的管口處引出，可以在引出的光纖上熔接尾纖進行單獨測量，也可以將若干個測斜管相互熔接，串接在一條光纖線路上，并最終接至BOTDR；3)使用BOTDR測量傳感光纖的應(yīng)變分布和溫度分布，獲得測斜管外表面的應(yīng)變分布。BOTDR儀器本身具有操作面板，因此，儀器的采樣過程可以手動控制。另外，儀器本身具有GPIB接口，因此，儀器可以和計算機連接，由計算機對采樣過程進行控制；4)BOTDR采到的數(shù)據(jù)可以存儲在計算機的內(nèi)部，也可以通過儀器的網(wǎng)絡(luò)接口和計算機連接，利用計算機強大的運算功能對數(shù)據(jù)進行計算和分析，獲得測斜管不同深度處的撓度，從而得到測斜管周圍巖土體的位移量。
本發(fā)明的傳感光纖有兩路，一路為緊套光纖，用于測量測斜管的應(yīng)變。但由于光纖同時對溫度變化也敏感，因此，需要同時布設(shè)溫度傳感線路。這里，采用松套光纖作為溫度傳感線路。通過在光纖的一端注入脈沖光，光纖上各個點均會發(fā)生布里淵散射，其中一部分散射光沿光纖原路返回至入射端，進入光探測器，轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)過放大、濾波等一系列的信號處理，得到光纖上采樣點處的布里淵散射光頻移，由頻移與光纖應(yīng)變之間的線性關(guān)系，獲得光纖的應(yīng)變分布。上述過程由BOTDR完成，計算機通過GPIB接口向BOTDR發(fā)送控制指令，獲取儀器的工作狀態(tài)，得到的數(shù)據(jù)文件由網(wǎng)絡(luò)接口導(dǎo)入計算機，由計算機程序?qū)@些數(shù)據(jù)進行計算和分析。深部巖土體的變形會帶動測斜管發(fā)生同步變形，變形后的測斜管其應(yīng)變狀態(tài)會隨之改變，通過對測斜管的應(yīng)變分布進行相應(yīng)的分析，就可以反求測斜管的變形或撓度，進而得到巖土體的位移。
上述分布式光纖傳感系統(tǒng)，以普通的測斜管為媒介，用于深部巖土體的一種固定式測量系統(tǒng)。
上述分布式光纖傳感系統(tǒng)，光纖作為傳感器使用，同時也作為傳輸媒介，即測斜管與測斜管之間，測斜管與BOTDR之間的光傳輸線路。
上述分布式光纖傳感系統(tǒng)，背向散射光檢測模塊是一臺BOTDR(BrillouinOptical Time Domain Reflectometer布里淵光時域反射計)，獲得光纖上各個采樣點的布里淵散射光頻移，利用BOTDR提供的GPIB通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與計算機的通信和數(shù)據(jù)交換。上述分布式光纖傳感系統(tǒng)，由計算機軟件自動對獲得的數(shù)據(jù)進行計算和分析，得到測斜管的變形或位移，當(dāng)位移超過設(shè)計值，給出報警提示。
上述分布式光纖傳感系統(tǒng)，傳感光纖的直徑為0.9mm的單模光纖，以緊套光纖作為應(yīng)變傳感器，以松套光纖作為溫度補償傳感器。
參見圖1，圖1是本發(fā)明在測斜管接頭處傳感光纖的布纖方式。傳感光纖是預(yù)先粘貼在4m或2m一段的測斜管上，為了便于測斜管的埋設(shè)，布纖遇有測管接頭位置時，在靠近管頭的位置打一小孔，傳感光纖由小孔穿入測斜管內(nèi)，套好接頭后，穿入另一根測斜管內(nèi)，最后由另一跟測斜管的管頭處的小孔穿出，并粘貼于測斜管外表面的凹槽內(nèi)。
參見圖2，圖2是本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)框圖。將粘貼好傳感光纖的測斜管由鉆孔埋入地下，使用光纜將各個測斜管熔接在一條光纖線路上，將光纖的一端接至BOTDR。BOTDR的采樣過程通過GPIB接口由計算機控制，得到的數(shù)據(jù)文件由網(wǎng)絡(luò)接口傳入計算機，由計算機程序?qū)@些數(shù)據(jù)文件進行計算和分析，最終獲得測斜管的變形或撓度，即深部巖土體的位移。
參見圖3，對一段2m長的測斜管進行彎曲試驗，模擬測斜管變形，分別采用分布式光纖傳感技術(shù)和百分表測量變形后測斜管的撓度，試驗結(jié)果示于圖3。測斜管1、傳感光纖2、接頭3、小孔4。
權(quán)利要求
1.土體深部變形分布式光纖測量方法，其特征是在測斜管的外壁凹槽內(nèi)并行粘貼兩條光纖，其中一條的緊套光纖，拉緊后粘貼于管壁，用于測斜管外壁應(yīng)變量的傳感，另一條為松套光纖，松馳地粘貼在同一位置，作為測斜管所處位置的溫度傳感器，用于溫度補償；應(yīng)變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射，散射光的頻移與光纖的應(yīng)變和溫度變化呈很好的線性關(guān)系，在脈沖光的入射端，通過對接受到的布里淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布里淵頻移的測量和定位功能；根據(jù)布里淵頻移與應(yīng)變和溫度之間的線性關(guān)系，可以得到測斜管外表面的應(yīng)變分布和溫度分布，去掉溫度的影響，就得到測管的應(yīng)變分布。
2.由權(quán)利要求1所述的土體深部變形分布式光纖測量方法，其特征是以管底為不動點，對上述應(yīng)變分布進行積分運算就得到測斜管的變形或撓度，埋入巖土體中的測斜管隨土體同步位移而發(fā)生變形，得到深部巖土體的位移。
3.土體深部變形分布式光纖測量系統(tǒng)，測斜管采用傳統(tǒng)的移動式測斜管，其特征是該系統(tǒng)由以下幾部分組成測斜管、分布式光纖傳感線路、布里淵背向散射光數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計算機和數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成；沿著測斜管設(shè)有凹槽，緊套光纖拉緊后粘貼于槽內(nèi)管壁，另一條松套光纖松馳地粘貼在同一位置，測斜管構(gòu)成分布式光纖傳感線路；布里淵背向散射光數(shù)據(jù)采集設(shè)備BOTDR通過GPIB通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與計算機的通信和數(shù)據(jù)交換。
4.由權(quán)利要求3所述的土體深部變形分布式光纖測量系統(tǒng)，其特征是光纖遇有測管接頭位置時，在靠近管頭的位置打一小孔，傳感光纖由小孔穿入測斜管內(nèi)，套好接頭后，再穿入另一根測斜管內(nèi)，最后由管頭的小孔穿出，粘貼于測斜管外表面的凹槽內(nèi)。
5.由權(quán)利要求4所述的土體深部變形分布式光纖測量系統(tǒng)，其特征是將測斜管外壁凹槽對準(zhǔn)欲測量方向，而不是在傳統(tǒng)的測斜中將測斜管內(nèi)壁某一對凹槽對準(zhǔn)欲測量方向。
6.由權(quán)利要求3所述的土體深部變形分布式光纖測量系統(tǒng)，其特征是上述分布式光纖傳感系統(tǒng)，傳感光纖為直徑為0.9mm的單模光纖，以緊套光纖作為應(yīng)變傳感器，以松套光纖作為溫度補償傳感器。
全文摘要
本發(fā)明是一個土體深部變形的固定式測量方法和系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)由測斜管、分布式光纖傳感線路、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計算機控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等幾部分構(gòu)成。它采用基于自發(fā)布里淵散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)，通過將傳感光纖按照全面粘貼的方式鋪設(shè)在測斜管的外表面，然后將測斜管埋設(shè)在土體中，用于測量土體的變形或位移。當(dāng)深部土體發(fā)生位移，土體將帶動測斜管發(fā)生變形，測斜管外壁的應(yīng)變量也隨之變化，采用BOTDR可以直接測量出粘貼在測斜管外壁的光纖的應(yīng)變分布，數(shù)據(jù)的采集過程由計算機控制模塊實現(xiàn)，采集到的數(shù)據(jù)同樣由計算機控制模塊導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理模塊，按照一定的算法計算出測斜管的變形量，從而得到土體的變形或位移。
文檔編號G01B11/02GK1598479SQ20041004199
公開日2005年3月23日 申請日期2004年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月15日
發(fā)明者施斌, 張丹, 丁勇, 崔何亮, 徐洪鐘, 索文斌, 張巍, 高俊啟, 劉杰, 王小明 申請人:南京大學(xué)