基于分布式光纤传感的形变探测管试验研究

图 2 分布式光纤形变探测管的探测原理
2 光纤应变与探测管沉降量的关系
2. 1 光纤应变与探测管沉降量的理论关系 图 3 为土体沉降时光纤的受力情况 。传感光纤
的初始长度为 L0 , 当土体发生沉降 ( 垂直位移) D 时 ,探测管向下摆动至与水平线形成倾角θ。此时 , 左端质量块在重力作用下滑向探测管左端 , 下部光 纤被拉伸至长度 L , 发生的形变量 ΔL = L - L0 , 相 应的应变ε=ΔL / L 0 , 则有 L = ( 1 +ε) L 0 。此时 , 左 端质量块对光纤的拉伸力 F = m gsinθ, 其中 g 为重
力加速 度 , m 为 质 量 块 的 质 量 。根 据 弹 性 定 律 ,
ΔL = F/ k = m gsinθ/ k , 其中 k 为光纤的弹性系数 。
由此有 sinθ=ΔL k/ ( m g) = L0εk/ ( m g) , 土体的沉降
量
D
=
L sinθ=
L L 0εk/
( m g)
=
(1
+ε)εk
光纤与电缆及其应用技术 Optical Fiber & Elect ric Cable
2010 年第 1 期 No . 1 2010
应用技术
基于分布式光纤传感的形变探测管试验研究
王少力 , 朱萍玉 , 陆 洁 , 张子才
(湖南科技大学 机械设备健康维护湖南省重点实验室 , 湖南 湘潭 411201)
于质量块的质量
m = 0. 28
kg ,则
K
=
k
L
2 0
/
( m g)
=
608. 747 2 ×2. 242 / (0. 28 ×9. 8) = 1 113. 14 。
3 分布式光纤形变探测管的试验研究
组装好分布式光纤形变探测管后 ,将光纤两端 接入 Di TeSt2S TA202 光纤传感分析仪 ,对其进行试 验研究 。该光纤传感分析仪采用受激布里渊散射 ( SBS) 原理测量[9] 。由于上下光纤的工作原理完全 相同 ,试验中我们取下部光纤为研究对象 。光纤传感 分析仪自带的软件可以自动记录光纤应变信息 ,并 以图形和表格形式输出试验结果 。
0 引 言
由于土体不稳定导致的地基沉降是堤坝 、路面 、 边坡 、房屋等工程建筑发生倾斜甚至坍塌等重大事 故的重要原因 。因此 ,实时监测地基土体的沉降对 于及时发现险情 ,指导抢险 ,避免重大事故的发生具 有重要意义 。通过埋设测斜管 ,使用移动式测斜仪 测量土体的沉降是对岩土工程地基进行实时监测的 常用方法[123] 。但该方法存在如下问题 :a . 当土体形
装了用以固定光纤的光纤固定夹 。左右两质量块可 分别在左右筒体内移动 ,其移动的极限位置受其左 右两边的光纤固定夹限制 。与分布式光纤传感分析 仪的一个端口连接的光纤首先从右端盖的上孔穿 入 ,依次通过右质量块和右固定板上孔 、左固定板和 左质量块的上孔 、左固定板和左质量块的下孔 、右固 定板和右质量块的下孔 ,再从右端盖的下孔穿出 ,连 接到分布式光纤传感分析仪的另一个端口 ,从而构 成探测光纤通路 。光纤在通过各光纤通道孔时 ,在 安装有光纤固定夹的地方均用光纤固定夹固定 。夹 在上下两固定夹之间的上下光纤作为传感光纤 ,其 初始长度均为 L0 ,具体尺寸根据实际需要确定 。
由于应变ε本身很小 ,其二阶项是极小量 , 可以忽略
不计 ,上式可简化为
D
=εkL
2 0
/
( m g)
。对于确定的
探测管来说 , 传感光纤的初始长度 L0 、质量块的质
量 m 以及光纤的弹性系数 k 均为常量 , 因此可设
K
=
kL
2 0
/
( m g)
,则被测沉降量 (垂直位移)
使下部光纤被拉伸 ; 当土体隆起时 ,探测管向上摆 动 ,右端质量块滑向探测管右端 ,由于受到右固定板 下部光纤固定夹的限制 ,仅可使上部光纤被拉伸 。 光纤受拉伸时的形变信息通过光纤输入 Di TeSt2 S TA202 分布式光纤传感分析仪 ,分析仪自动记录 光纤的应变数值和具体位置 ,并通过专用软件分析 计算 ,即可得到所监测土体的沉降量或隆起量 。
[ 摘 要 ] 介绍了分布式光纤形变探测管的结构及探测原理 ,推导了光纤应变与分布式光纤形变探测管沉降 量的理论关系 ,测定了试验用传感光纤的弹性系数 ,基于 Di TeSt2STA202 分布式光纤传感分析仪进行了分布式光纤 形变探测管土体形变监测的试验研究 。研究结果表明 ,分布式光纤形变探测管应用于实时土体形变监测具有良好 的实用性 。 [ 关键词 ] 分布式光纤传感 ;探测 ;形变 ;土体监测 [ 中图分类号 ] TV698. 1 ; TP212. 14 [ 文献标识码 ] B [ 文章编号 ] 100621908 (2010) 0120019204
·20 ·
光纤与电缆及其应用技术
2010 年第 1 期
新型形变探测管 (简称分布式光纤形变探测管) 已获 批实用新型专利 ,专利号为 ZL200820053548. 2 。
1 分布式光纤形变探测管的结构及探 测原理[8 ]
图 1 为分布式光纤形变探测管的结构示意图 , 其由筒体 、固定板 、质量块 、光纤固定夹 、光纤和左右 两个端盖组成 。固定板和筒体之间 、两端盖与筒体 之间均采用螺钉连接 ,以保护内部装置 。相邻两筒 体之间的固定板和质量块上均加工有上下两个光纤 通道孔 。左固定板的上光纤通道孔的左端 、左质量 块的下光纤通道孔的左端 、右固定板的下光纤通道 孔的右端以及右质量块的上光纤通道孔的右端均安
[ 收稿日期 ] 2009208208 [ 基金项目 ] 国家水利部“948”引进国际先进技术基金资助
项目 (200608) [ 作者简介 ] 王少力 (1981 - ) ,男 ,湖北省荆门市人 ,湖南科
技大学硕士. [ 作者地址 ] 湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点
实验室 ,411201
图 4 传感光纤所受载荷与伸长量的关系
试验操作步骤如下 :a. 安装好分布式光纤形变 探测管 ,其中质量块的质量为 0. 28 kg ,下部光纤接 头到右固定板下部光纤夹之间的长度为 4. 2 m ,下 部用于传感器的光纤在用两光纤夹稍微绷紧以后的 长度 L0 = 2. 24 m ,即 4. 2 m 至 6. 44 m 的这段光纤 为传感用光纤 。b. 连接 Di TeSt2S TA202 光纤传感 分析仪 ,把探测管端部传感光纤两端的接头接入光 纤传感分析仪 ,其中传感光纤段的下部光纤接头接 入分析仪的光信号输入端 ,回路用的上部光纤接头 接入光信号输出端 。c. 定义数据库 ,实验前 ,在仪器 自带软件中定义好测试所得数据的保存路径和文件 名 。d. 定义传感器的名称 , 以及传感器起始点为 1 m ,终止点为 7 m ,空间分辨率为 0. 5 m 。e. 将分 布式光纤形变探测管右端盖连接万向节并固定 。倾 斜探测管 ,记录每次探测管的实际沉降量 Di ,如表 2 所示 ,然后用分析仪扫描传感器并自动记录其应变 。 为了进一步研究分布式光纤形变探测管检测土体沉 降量的可靠性 ,由分析仪自带的软件导出与信号输 入端距离 5. 29 m 处传感光缆对应的应变数据 ,经 标定后得到该点实际应变数据 。将标定后的应变数 据代入理论关系式 D = Kε,计算出土体的理论沉降 量 D′i ,参见表 2 。可见根据理论关系式计算出来的 探测管的沉降量 D′i 与探测管的实际沉降量 D i 基 本相符 ,说明在工程中分布式光纤形变探测管能比 较精确地检测土体的沉降量 。
一根光纤 ,一端固定在试验架上 ,另一端自然悬垂 , 在光纤距固定端为 2. 24 m 处做好标记 ,然后逐步 加上砝码使光纤拉伸 ,每增加 0. 1 kg 砝码记录该 2. 24 m光纤的伸长量 。试验数据如表 1 所示 。
表 1 光纤所受载荷质量与伸长量的关系
载荷质量 m′/ kg
伸长量ΔL/ m
0. 1
0. 001 5
0. 2
0. 003 0
0. 3
0. 004 5
0. 4
0. 006 0
0. 5
0. 007 5
0. 6
0. 008 7
0. 7
0. 011 0
0. 8
0. 012 5
0. 9
0. 014 5
1. 0
断裂
光纤所受拉力 F 与伸长量ΔL 的关系如图 4 所
示 ,可知试验所用光纤的弹性系数 k = 608. 747 2 ,由
( Health Maintenance for Mechanical Equipment Key Lab. of Hunan Province , Hunan University of Science and Technology , Xiangtan 411201 , Hunan , China) Abstract : The st ruct ure and t he detecting p rinciple of a new type defo rmation detecting t ube based o n dist ributed optical fiber sensing are briefly int roduced. The t heory formula , i. e. , t he relationship between t he sensing fiber’s st rain and t he settlement of t he new defo rmation detecting t ube is given. The elasticity coefficient of t he sensing fiber which is used in t he following experiment is experiment determined. The experiment which is to monitor t he soil body’s deformation by t he new deformatio n detecting t ube based o n dist ributed optical fiber sensing is conducted. And t he experiment is based on Di TeSt2STA202 , a dist ributed optical fiber sensing analyzer. The st udy co nfirms t hat t he new deformation detecting t ube based o n dist ributed optical fiber sensing p ropo sed is p ractical to be used in real2 time mo nitoring t he defo rmation of t he soil body. Key words : dist ributed optical fiber sensing ; detecting ; defo rmation ; monito ring of t he soil body
和光纤应
变之间存在近似的线性关系 D = Kε。
王少力 ,等 :基于分布式光纤传感的形变探测管试验研究
·21 ·
图 3 土体沉降时光纤的受力情况
2. 2 试验用光纤的弹性系数测试试验 为了求出上述理论关系中常数 K ,首先要通过
试验求出探测管内用作传感器部分的光纤段的弹性
系数 k 。由于后续试验中加工的探测管内用作传感 器部分的光纤长度 L0 = 2. 24 m ,所以我们选取同等 长度的相同光纤进行拉伸试验 。试验操作方法是取
变加剧时 ,测斜导管弯曲度变大 ,测斜仪无法通过导 管而使监测中断 ;b. 当测斜导管内腔粘有泥沙时 ,会 使测斜仪的读数产生较大误差 ;c. 当测斜导管扭曲 或者测斜导管接头不对时 ,会使导轮偏离导槽甚至 跳到另一组导槽中 ,致使记录的数据完全失真[4] 。 上述问题降低了移动式测斜仪的可靠性 。分布式光 纤传感技术是近年来发达国家竞相研发的一项尖端 技术[527] 。它具有传感器分布广且连续分布的显著 优点 ,能有效提高对土体沉降监测的可靠性 。它还 具有抗电磁干扰 、阻燃 、防爆 、抗腐蚀 、可采用大功率 信号传输 、可实时动态监测等诸多优点 。因此 ,分布 式光纤传感技术用于土体沉降的测量有着较广阔的 应用前景 。为避免上述传统测量方法出现的问题 , 本文提出了一种利用分布式光纤传感技术监测岩土 工程形变的新方法 ,并且该基于分布式光纤传感的
图 1 分布式光纤形变探测管的结构示意图
监测形变时 ,将分布式光纤形变探测管主体埋 入土体中 ,其右端与一高度和探测管中心线等高的 万向节连接 。当土体发生形变时 ,探测管即可绕万 向节的中心进行相应的摆动 。分布式光纤形变探测 管的检测原理如图 2 所示 。当土体下沉时 ,探测管 向下摆动 ,左端质量块在重力作用下滑向探测管左 端 ,由于受到左固定板上部光纤固定夹的限制 ,仅可
The Experimental Study of a Def ormation Detecting
Tube Based on Distributed Optical Fiber Sensing
WAN G Shao2li , ZHU Ping2yu , L U J ie , ZHAN G Zi2cai