专利名称：结构弯曲的分布式测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于结构的弯曲的分布式测量系统，它包括为这种测量配备的线状缆形设备和用于处理由上述设备生成的测量信号的装置。
背景技术：
在土木工程建筑(楼宇、桥梁、道路、铁路路轨等)领域，不均匀沉降、甚至无法预料的坍塌(局部坍塌)能够引起严重的地面和地下事故，并且导致极高的维修费用。这类事件可能是由于存在天然或人为空腔(矿山、隧道等)，这些空腔未曾进行标记，或者即使已经知道，也不够坚固而且负载过大。
公共建设工程公司需要拥有适用于现有结构(或在建结构)的测量系统，该系统能够监测地面沉降(空间上沿水平面的)的准确变化，并在出现标志局部坍塌的断裂时触发报警。这种测量系统(与地面接触)的敏感部件应当能够很容易地经由小直径的隧道(以尽可能非侵入的方式)安装到现有结构之下，以便不干扰上述结构的稳定性。这个敏感部件也应当能够(譬如说，以直径通常为1至2米的绳股方式)进行运输并安装到测量现场而不会有太多麻烦。对沉降的希望分辩率应当在毫米数量级或更小，以便能够预测更显著的未来退化方式。要加以测量的区域的延伸长度随应用场合而变，应当在几十到几百米之间，有时会更长。
当前存在一些能够在被认为是典型土木工程结构的场所进行特殊测量、从而能够获得地下特性信息的常用测量装置，如经纬仪、倾角仪、应变仪、LVDT(线性差动变压器)传感器。这些(间接)装置不能准确获悉地面沉降的精确特性。
人们也实施了其他用于测量坍塌的方法，譬如在填充水银的测试隧道中的一组远程压力传感器。分布式压力测量能够获得相对于该区域之外的基准点的高度变化。不过，这些方法在精确度方面不是十分有效，也不够快速，而且因为它们需要使用人力，所以实现起来花费很大。
还存在弯曲或曲率传感器。
先有技术文献(说明书后的参考文献[1])描述光纤弯曲或曲率传感器，它测量受弯光纤的、成波状的或变形区域的光损耗。在穿过这种波状区域的径向平面上发生弯曲时，射到该光纤的部分光线在向外的方向上发生正比于弯曲大小的损耗。这时，测量光线损失的比例，就能够由此推算曲率半径，或者一个结构相对于另一个结构的旋转角度。在曲率方向未知的情况下，可以采用三光纤系统，该系统的各个光纤彼此之间相隔120°，成“玫瑰花”型排列。测量3个光线传输系数就能够推算曲率半径在光纤横截面上的两个主要分量以及这些主曲率相对位于要测量的结构上的传感器的位置的方向。
在这份文献中，没有对温度灵敏度加以监测。这样就导致它在气候条件无法控制的室外使用中的实际困难。而且，这种传感器需要的光纤数目与测点数目相同(每根光纤一个测点以避免含混)，所以在有大量测点时，接线变得很困难而且花费太大。另外，与期望的情况不同，该测量原理没有提到对能够使测量失真的光强度波动进行补偿的方法。实际上，任何光损耗，不管其来源如何，都能够间接归因于曲率变化。这种波动可能由于连接问题、粘合连接点的老化、沿测量光纤的微小弯曲等等引起。另外，因为必须逐一校准传感器而且该设定值能够随时间变化(理由同上)，所以必须定期重新校准传感器，这样做费用很高，而且在现场经常并不切实可行，特别是该结构在地下被密封的情况。
本发明的目的是通过提供结构曲率的分布式测量系统来克服上述缺点，该系统包括至少一个为这种测量配备的线状缆形设备以及用于处理由上述设备生成的测量信号的装置，它能够执行只有少量侵入(intmsivité)的测量，譬如已有或在建土木工程基础设施之下的地面沉降，从而能够在不管其扭曲状态的情况下定位坍塌并确定沿其轴向的拉力分布。
发明内容
本发明涉及结构轴向变形和弯曲的分布式或分散式测量系统，它包括至少一个为这些轴向及弯曲变形进行分布式或分散式测量而配备的线状设备以及用于处理由上述设备生成的测量信号的装置，其特征在于，每个设备包括圆柱形加强件，它支撑其周围至少三根局部平行于该加强件轴线的光纤，而且其中该处理装置提供了对来自这些光纤的信号进行谱分或时分多路传输的装置。
根据第一种测量原理，每根光纤具有至少一个布雷格光栅变换器(transducteur àréseau de Bragg)，其中该处理装置允许进行分布式测量，而且该多路传输装置是波长多路传输装置。
根据第二种测量原理，该处理装置允许进行由布里渊(Brillouin)反射计方法实现的分散式测量。
在优选实施例中，这些光纤被排列在至少三个在该加强件边缘形成的凹槽中。
优选地，上述系统包括至少一根能够执行温度自补偿的附加光纤，它能够包含沿其整个长度分布的布雷格光栅。这根附加光纤能够被自由地插入低摩擦塑料细管。优选地，该设备包括外壳。优选地，该加强件通过玻璃环氧酯或玻璃乙烯酯类型复合材料的挤拉成型方法获得。优选地，金属扣件能够压扣在该加强件上。这些光纤能够通过将该测量值传送到该处理装置的多股光缆再集合到一起。
在另一个优选实施例中，该加强件由定位纤维制品构成。该设备包括7根具有相同半径的、以六角形方式自定位的纤维制品，上述纤维制品中在该加强件周围以120°间隔分布的三根是光纤。这些纤维制品能够外涂聚合物胶，或者用细管固定。如果该加强件是光纤，那么至少能够在其上刻印布雷格光栅，以便允许进行温度补偿。
本发明的系统可以包括在有关结构之下以非侵入方式、通过能够在安装之后加以回填的隧道按照不同位置并根据不同角度方向进行排列的多个设备。由施工引起的以及在该结构使用期限内的地面沉降由该设备上(与地面的摩擦引起)的拉力以及局部曲率的变化显示，这些能够通过该设备所承受的局部变形直接加以测量。
本发明的设备能够(沿整个轴)测量由其轴向拉力引起的变形以及弯曲引起的变形(曲率半径、弯曲面的方向)的分布情况，从而能够计算自安装以来产生的沉降。
多项测量技术可以被应用于光纤，这些技术根据它们是连续的(分散式的)或特定点的(分布式的)而加以区分。
用于分布式测量(在位于沿该缆线的不同位置的多个点上进行的测量)的各种方法可以被设想用来装备本发明的设备。布雷格光栅变换器是工业中最常用的传感器，特别是在土木工程部门。白光干涉仪传感器(“白光干涉测量法”)能够被用作粘合到或附接到需要检测其变形的结构的表面的应变仪。与单色光干涉仪不同，这些传感器在重新连接后不需要重新校准。其他传感器，譬如法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪型传感器，不允许沿同一根光纤进行多路传输，因为它们靠光纤端面反射来工作。而且，它们常常采用光源的整个光谱宽度以便使相干性长度最小从而改进空间分辨率。所以，它们在光栅中必须按照平行机制(通过光学开关)加以排列。
分散式测量(即沿该设备的连续测量)也可以采用参考文献[2]中所述的布里渊反射计方法(“布里渊光学时域反射计”，B-OTDR)进行。这种方法越来越多地得到应用，因为它能够测量施加到光纤的轴向变形以及它的温度。但是，B-OTDR系统价格很高，它只允许进行要做的静态测量(响应时间在几分钟和几小时之间变化)。而且，变形测量的精度为100毫米/米的数量级，其效果只在布雷格光栅的20分之一到100分之一之间。不过，对布雷格光栅变换器数目很大(超过200)的长缆线而言，这种分辨率仍然具有竞争力。
本发明的系统具有如下优越功能—它能够对超过百米(甚至千米)距离的、连接到地下的设备的整体弯曲状态做分布式测量，而且能够确定有关基础设施之下的沉降变化(米级空间精度和毫米级深度精度)。实际上它没有直接测量深度，而是测量沿该设备的弯曲变形的分布，这代表曲率半径的分布，所以，是该沉降的分布的二阶导数。合适的信号处理程序能够获得这种沉降沿该设备的分布。
—本发明的设备的圆柱形剖面十分有用。事实上很清楚，除了制造方便之外，这也是为了现场管理方面的原因，由于摩擦力，很难保证平面结构(譬如带状物)在它通过很长(几百米)的、具有小直径的隧道时能够维持其最佳取向(水平的传感器平面)。另一方面，本发明的设备能够随意弯曲并经受轴向拉伸，曲率的测量与它的扭曲和拉伸状态无关。根据受“玫瑰花型”激发所获得的概念，就可能不管扭曲状态如何而重构弯曲力矩分布，在这种形式中，变形在该设备周围以精确的角度方向加以测量(譬如每隔120°)。
—本发明由于采用波长多路传输(基于布雷格光栅的方法)或时间解析测量(布里渊OTDR)而能够处理非常大量的变换器，而且因为所有推荐的传感器(布雷格光栅、B-OTDR、白光干涉仪)都对光功率波动不灵敏(随意解除连接和重新连接而不需要重新校准)，所以能够保证在很长的时期进行稳定的测量。
—向其附接光纤的结构部分就是该设备本身，不需要任何相关的机构，这对体积、重量和价格而言是十分有利的。而且，由于采用盘卷方法(盘卷-拉直)，该设备的实施操作能够迅速、连续地进行。最后，弯曲相对于外部结构的定向不需要额外的传感器，因为本发明中弯曲的测量与该设备的扭曲状态无关。
—对有关结构中(由于地面坍塌引起的)的断裂的识别能够由该设备两端进行询问来执行。线路上的传感器的识别能够定位该断裂。这个优点能够通过布雷格光栅技术或B-OTDR来实现。
—多个本发明的设备在至少两个(最好正交的)方向上以及需要检测的基础设施之下的不同位置上并置就能获得矩阵排列，从而能够获得沉降进展的两维映射。
图1A和1B表示配备了布雷格光栅变换器的、本发明的设备的实施例，它们分别是纵向和横截面视图。
图2表示本发明的设备的第二实施例。
图3表示本发明的、用于测量由挖掘产生的沉降的设备的安装。
具体实施例方式
如图1A和1B所示，本发明的系统包括为了对结构的弯曲、特别是对地面沉降进行分布式测量而配备的线状缆形设备10。设备10被连接到图中未画的处理装置。这个设备包括可为实心也可为中空的圆柱形加强件11，它支撑其周围至少三根局部平行于该加强件轴线的光纤12，举例来说，它们被排列在三个凹槽15、16和17中。举例来说，这些光纤被挤拉或粘合到这些凹槽。举例来说，这些光纤具有按照玫瑰花型图案分布在上述设备周围的多个布雷格光栅变换器，这些变换器在这种情况下彼此相隔120°排列。这些变换器的相对波长变化能够测量由于上述设备的局部弯曲和拉伸状态以及温度所引起的变形的分布。
图1A示意性地表示排列在凹槽15中的光纤标号1a、2a、…、10a，排列在凹槽16中的光纤标号1b、2b、…、10b，以及排列在凹槽17中的光纤标号1c、2c、…、10c。作为示例，6个布雷格光栅采用已知技术被光刻在每根光纤上，每米一个。光纤1a、1b和1c能够测量第一个6米上的变形，光纤2a、2b和2c能够测量第二个6米上的变形，等等。
在图1B中，三根光纤12’对应于在所考虑的横截面上包括布雷格光栅的光纤。
加强件11可以是中空的或实心的。此外，它可以用金属制造，或者，为了重量、变形和抗腐蚀的原因，用合成材料制造更加有利。
此外，本发明的设备包括保护这些变换器、保证到测量单元的光学连接传递的外壳18。
在下面描述的优选实施例中采用了布雷格光栅变换器，具有布雷格光栅的光纤处于明显确定的位置。也能够采用其他实施例。特别是，能够采用通过B-OTDR方法进行询问的光纤。在这另一个实施例中，只有一根光纤是必须的，但为了所有实用的目的，每个槽中至少要有一根光纤以作冗余。
实施例布雷格光栅的度量学特性布雷格光栅的波长沿该光纤轴线直接随温度T和变形ε而变化。
布雷格光栅(自由光栅，未进行粘合)的布雷格波长的相对变化是温度的函数，可以写成ΔλBλB=aΔT=(α+ξ)ΔT≈7·10-6·ΔT---(1)]]>在1.55μm的波长上，根据不同的光纤，这个系数具有10～12pm/K的数量级。当布雷格光栅被粘合到合成材料结构(玻璃-环氧酯)上时，它经受与这个结构的热膨胀相应的变形，其温度规律如下ΔλBλB=a′·ΔT=((1-pe)·αs+ξ)ΔT≈13·10-6·ΔT---(2)]]>类似地，作为变形的函数的布雷格波长的相对变化涉及变形本身以及由这种变形诱导的折射率的变化(弹光效应)，其关系如下ΔλBλB=(1-pe)ϵ=1-(ne22(p12(1-ν)-p11ν))·ϵ=0.78·ϵ---(3)]]>其中ε是纵向变形，ne是纤芯指数(通常为1.47)，p11和p12是硅石的弹光系数(p11＝0.113；p12＝0.252)，ν是硅石的泊桑系数(通常为0.17)，而pe是硅石的光弹性常数(通常为0.22)。
在1.55μm的波长上，该系数大约为1.21pm/毫米/米，这实际上取决于硅石的掺杂情况。
布雷格光栅方法的优点详列如下—没有电磁干扰(光学测量)，—波长多路传输和读数(光谱信号与光功率无关)—特定点的测量(局部测量)，—测量的有效传递(千米范围)和接线的灵活性，—长时间的稳定性和恶劣环境下的耐用性，—常用温度范围(-20℃，+50℃)内的线性测量，—无须永久性连接(仪器使用可以随意连接和解除)，—很低的插入损耗允许传感器沿单条测量线串联排列，—由于单个获取单元的多路传输而优化测点费用，—在单个获取单元中标准化的多参数测量(温度、变形)以及单独处理和显示协议(分析中的相干性和数据的存储)支撑加强件的制造支撑加强件11的最常用复合材料是由环氧化物或乙烯酯类基质结合起来的玻璃纤维。这些材料通常通过挤拉过程获得，该过程包括聚集平行纤维制品、牵引穿过树脂槽。文献[3]描述了这样一种过程。一旦进行注入，这些光纤就被牵引穿过加热的拉模板。然后，在先行加热然后进行有控制冷却的区域内进行树脂聚合。在它们被拉出拉模板时，所获得的型面被切割成希望的长度。可供选择的方法是用金属扣件压扣在通过挤拉方法制造的合成加强件上，就如参考文献[4]所述那样。附接螺母能够附接可以将该设备牵引穿过地下测试隧道的牵引绳索。
加强件的实施一种方法是按照所选方向在挤拉机器供料心轴高度插入光纤。这种方法适合于大型工业场合。
另一种方法是在生产挤拉加强件之后在为此目的特制凹槽内粘合光纤。下面说明这种小型场合的方法。
变形测量由一组三个位于凹槽15、16和17内的布雷格光栅变换器进行，这些凹槽按照特别规定的角度方向(最好的是每隔120°)制造，以便使由弯曲造成的变形的最大幅值始终以与该设备的扭曲状态及它的纵向拉伸状态无关的方式加以确定。在该设备周围必须至少形成三个凹槽。事实上，也可以具有三个以上的凹槽以便获得冗余。变换器数目由技术-电气综合因素决定。作为示例，对1米的空间距离，60米长的缆形设备包括180个变换器，下面以这种情况为例加以考虑。
布雷格光栅被(每米一个)周期地光刻到每根光纤，每根光纤在光刻后重新排列，这些光栅被精确地定位。布雷格光栅变换器如图1A所示按三个一组排列，所以在每个横坐标x，代表沿剖面测得的三个变形的三个波长偏移被关联到一起。对三个凹槽15、16和17中的每一个，都必须平行放置多根纤维制品，以便能够“覆盖”该设备的整个长度。
多路传输能力是所选测量范围的函数，参考文献[4]中给出了多路传输的示例。作为示例，我们考虑±0.15％的变形范围，这(在1.55μm波长上)相当于大约±1.8nm，即3.6nm的光谱偏移。重叠由机械原因导致的这个光谱平移就是热力原因导致的波长平移(通常在1.55μm波长为～20pm/℃)。对于室内使用范围
，这相当于0.6nm的波长偏移。所以总光谱偏移(热力偏移+机械偏移)为4.2nm。通过维持安全裕量(防止任何光谱重叠)，通常可以使分配给每个变换器的光学带宽为5nm。由于该系统的光学带宽通常为30nm数量级(常规频带称为C带)，所以，对于这个变形范围，位于每根测量光纤部件的变换器数目就是每根光纤6个变换器。使用光谱较宽的光源(C+L带)会成正比地增加每根光纤的多路传输布雷格光栅数目。
这些度量学价值在下面会作为示例加以考虑。于是，可以在每根光纤上布置6个布雷格光栅的RBi组件，每米一个组件。所以，RBi组件延伸长度为L＝6m。对每个凹槽，10根光纤的组件能够覆盖60米的长度D，如图1A所示。可以增加一根(放置在这三个凹槽之一中的)附加光纤以便进行温度的自补偿。举例来说，这根附加光纤具有每隔10米分布的6个布雷格光栅。它能够随意地被插入低摩擦塑料(譬如特氟纶(Teflon))细管，所以这些光栅只对温度敏感。
为了实施的可靠性和简单性，对给定的测量线路，布雷格光栅全部光刻在同一根光纤上(它们之间没有焊缝)。所以必须保证光刻在同一根光纤上的全部6个变换器的机械可靠性。这个可靠性由所谓“排除测试”方法来提供，这包括迅速牵拉光纤直到出现测试变形为止，以便保证该变换器抵抗这种变形。这种方法在被称为“验证测试仪”的光谱机械装置上进行，它能够进行校准的、可复制的牵拉。按默认方式，这种“排除测试”采用1％的变形，该变形可以达到2％或更大。
在表示本发明的设备的剖面的图1B中，在所考虑截面上包括布雷格变换器的测量纤维制品12’被粘合到每个凹槽15、16和17的底部，而其他9根纤维制品12从上面通过，以便达到该设备的每一端。作为演示，该分散式纤维制品的长度为30×60m＝1800m。
本发明的设备的特征总结在下表之中。
如下面的式(8)所示，变形的增加是曲率的函数(因此在曲率半径减少的情况下增加)。所以，在需要测量的曲率半径很小的情况下(譬如大约0.1mm-1)，本发明的设备的直径必须比较小。
在用挤拉方法获得的最小型面中，这个设备的型面如图2所示。这另一种解决方法对应于具有7根纤维制品的设备，它们按照六角形图案自行定位，在这种情况下，该加强件由定位纤维25提供。3根光纤26、27和28按照彼此相隔120°的方式排列在纤维制品25的边缘，并由定位纤维29加以隔离。这些纤维制品全部具有相同的直径，最好用聚酰亚胺作衬里。电信中使用的单模光纤的标准直径为125μm。加上聚酰亚胺涂层，外径(Фext)为135μm数量级。某些公司提供具有较小直径的、80μm数量级(加上聚酰亚胺涂层大约90μm)甚至40μm数量级的纤维制品。所以，这些纤维制品能够按照与它们的直径成正比的方式支持更小的曲率半径。因为纤维制品的制造对于尺寸有严格的标准，所以最好的方法是使用相同的纤维制品来制造自定位组件。不过，也能够设想采用具有相同直径但不同材料(譬如碳素纤维)的纤维制品来替换某些光纤(定位光纤29)，以便保证良好的刚性。
7根纤维制品25、26、27、28和29按照图2所示的六角形位置被放置在拉模板中。然后用聚合物胶30(譬如环氧材料)做涂层，使它们位置固定。另一种方法是，这些纤维制品也能够通过内径大约等于纤维直径三倍的细管固定。在(按每隔120°分布的)光纤26、27和28中的每一根上都光刻有布雷格光栅，以便在这些纤维制品的每个纤芯的水平上测量变形。这3个光栅位于该缆形物的同一剖面中。
于是，每个光栅承受的最大变形按照εmax＝Фext/ρ变化。适用于图2结构的方程组与方程组(10)相同，下面用Фext(每根纤维制品的直径)来代替Ф/2(该缆形物的半径)。
附加的光刻布雷格光栅可以合并到该组件以便进行温度补偿。这时不是将它放到外部，最有利的是将这个光栅光刻到中央光纤25的纤芯。由于它位于中性光纤上，所以这个光纤25的纤芯没有受到任何由弯曲引起的变形。但是，它对温度和轴向变形引起的同样效果很敏感，所以能够同时根据如下简单方程(角度交换120°就可以应用于所有光栅)对这些项进行直接补偿ΔλaΔλa-ΔλdΔλd=Φextρ·cosψ·(1-pe)]]>设备的实施和光学接线举例来说，在三个凹槽15、16和17中被粘合到加强件11的光纤12经由一条将测量值发送到某台装置的多股光缆重新集合。然后，这些光纤在该设备末端再次分离以便被连接到光学开关。
多个布雷格光栅读数仪器可以被用来获得光谱数据。譬如说，如同参考文献[4]中所述，可以采用一台组合了宽带光源(以1.55μm波长发射的掺铒光纤)和干涉仪扫描腔的便携式装置。
数据的获取在图1A和1B所示的解决方法中，对每条测量线l(1≤l≤30)获取每组6个值的数据。令p是位于每个凹槽的光纤部件数(1≤p≤10)。第一凹槽15按照线号l＝1至10依次配备(p＝1，然后p＝2等，直到p＝10)，第二凹槽16按照线号11至20配备，第三凹槽17按照线号21至30配备。令k为每个线号l上的光栅数(1≤k≤6)，按照上面的示例，每个凹槽j(1≤j≤3)具有10根光纤(所以是60个光栅)。
对每座建筑物，对应关系ε(l，k)是已知的(因为光纤在该加强件上的分布已知，所以光栅在每条光纤上的分布也是已知的)。故而，l和k是操作人员能够访问的仅有的两个参数。从这两个接线参数，可以通过能够在单独的变形表中分配并重新排列这些数值的对应方法来推导所有其他参数。(根据上述示例，)令DEF(j，i)是这样维数为3×60的表，其中下标对应于凹槽号j(1≤j≤3)和沿该设备的横坐标i(1≤i≤60)。对应于横坐标i的位置x(i)在下面被标记为xi。对被粘合到该加强件的光纤部件进行计数就给出如下方程l＝10·(j-1)+p (4)为了重新排列下标(j，i)的变形表的数据而需要建立的对应关系如下j＝ent(l/10)+1 (5)p＝l-10·ent(l/10) (6)i＝6·p+k (7)其中函数ent()表示整数部分。
有利的是，布雷格光栅能够根据具有常数值的周期h排列，所以诸光栅位置用简单的方程xi＝i*h来描述。
也可能进行其他任意配置。下面我们将考虑非常数周期hi＝xi+1-xi的一般情况。
存储方法和现场安装本发明的设备能够在工厂制造后盘卷并到工作场所拉直以便在现场安装。所以，该设备在安装前要存储一段时期。
存储光栅必须经受一段时间的存储变形，这段时间有时会很长，而且也很少加以控制(温度、湿度)。所以，为了防止布雷格变换器的过度存储变形，要规定该设备的直径Ф，以便保证它们的长期性能。但是，必须防止该设备的直径太小以保证它在工作现场条件下的剪切强度并优化曲率半径的灵敏度。在考虑粘合到弯曲面的布雷格变换器时，弯曲变形εf根据如下方程直接取决于光缆ρ的局部曲率半径ϵf=Φ2·ρ---(8)]]>如果考虑直径1m的存储卷轴(即0.5m的曲率半径)，对最大允许存储变形0.5％，可以得到最大设备直径5mm，这是符合要求的。
现场安装首先，将钢制的或合成的牵引缆线插入隧道。这个操作可以随设备安装一道进行，或者甚至提前进行。最好采用这后一种方法，因为地面钻孔最通常的是在整个长度上采用“套管”封固。这样能够防止因地面会聚引起的对洞穴的局部破坏，并有助于通过减小摩擦来插入设备。然后，牵引缆线被连接到压扣到该设备的加强件上的扣件。然后，在隧道内通过拖拉牵引缆线来拖动加强件，以便将它从隧道拉出，从而将该设备引入上述隧道。
如果我们考虑50％玻璃-50％环氧合成物的加强件，则(对应于最大允许变形ε的)最大允许拉力应为F=π4·Φ2·E·ϵ---(9)]]>对最大允许变形0.5％，相应的最大力为5.6kN，大约570kg。这个最大允许拉力与要施加的应力相容，从而能将它安装到现场。不过，为了安全原因，也可以附加额外的缆绳。然后可以注入灰浆(膨润土)以便加固地面设备。再后进行“零变形测量”来作为未来沉降进展的比较点。
图3示意性地表示这种安装方法，在这种方法中开挖了隧道20以便在建筑物21之下和在建隧道22之上安置本发明的设备10，隧道20的端点A和B必须是(位于要监测的区域之外的)固定点。点A的孔可以是非穿透的孔(盲孔)。当点A和B处的孔为开放孔时，装置可以被任意连接到点A或点B。在(由于坍塌引起)断裂的情况下，该装置必须继续地连接到点A和点B，以便捕捉全部测量线。
数据处理和沉降曲线计算读数装置提供三份关于该设备截面变形与沿上述设备的距离x的关系的表格，以及一份用于测量温度从而能够建立任何必要的热修正的表格。对每个横坐标x，数据处理首先相当于分离轴向拉力ε和弯曲参数(弯曲半径ρ)。然后，推导借以重构沉降Z(x)的二阶导数Z”(x)的表格。
参数的分离每份表格对应于如图1B所示的、彼此方向为120°的三个凹槽15、16和17之一的变形测量。第一份表格对应于测量值εa(x)，第二份对应于εb(x)，第三份对应于εc(x)。对该设备的每个点xi，需要求解的整个方程组如下Δλa=λa·[ϵ+Φ2·ρ·cosψ]·(1-pe)+λa·a′·ΔTΔλb=λb·[ϵ+Φ2·ρ·cos(ψ+2·π3)]·(1-pe)+λb·a′·ΔTΔλc=λc·[ϵ+Φ2·ρ·cos(Ψ2·π3)]·(1-pe)+λc·a′·ΔT---(10)]]>其中，光纤的参数前面已经定义。角度ψ对应于第一变换器相对于弯曲面(或者相对于该设备中性直径剖面的法线)的方向，a’由式(2)给出，pe由式(3)给出。
(相对于已知绝对温度参考状态的)温度差测量值ΔT由位于附近的温度光栅提供。温度差ΔT则由式(1)给出。
然后，通过如下作为示例给出的方程求得变形εaϵa=Δλa-λaλT·a′a·ΔλTλa·(1-pe)---(11)]]>
实际上，操作人员能够认为波长非常接近λa≈λb≈λc≈λT。这种近似是正确的，正确程度优于1％。由方程组(10)，通过计算可以推导出对温度效应进行修正后的变形方程组ϵa=ϵ+Φ2·ρ·cosψϵb=ϵ+Φ2·ρ·cos(ψ+2·π3)ϵc=ϵ+Φ2·ρ·cos(ψ-2·π3)---(12)]]>这三个式子构成的方程组能够确定未知量(ε、ρ和ψ)。所以，轴向变形可以写成ϵ=ϵaϵbϵc3---(13)]]>它通常相当于玫瑰花型方程解的球形部分。角度ψ能够通过如下方程确定在-π/2＜Ψ＜π/2的范围内tg(ψ)=ϵb-ϵc3·(ϵa-ϵ)---(14)]]>知道了ψ和ε，就能够根据方程组(12)的第一个方程并采用众所周知的如下三角式cos(ψ)=11+tg(ψ)2---(15)]]>推导出局部曲率半径ρ。
单独由于弯曲εf(x)引起的变形是该设备的局部曲率半径的函数，其形式如下Z′′(x)=1ρ(x)=K·ϵf(x)---(16)]]>其中K是取决于该设备直径和约束状况的校准常数(在第一种方法中K＝2/(Φ)。温度效应的修正对拉力变形测量值ε(式13)进行。
沉降特征曲线Z(x)的重构当弯曲变形曲线εf(X)已知时，就能够推导曲率半径的特征曲线并根据式(16)推导函数Z”(x)。首先对这个方程进行积分获得沉降梯度Z’(x)，然后再由其推导Z(x)。该积分可以采用修正的欧拉方法求得。这种方法不同于传统欧拉方法，它考虑(点i和i+1的)两个末端导数的平均值，而不是只考虑(点i的)一阶导数。一阶导数Z’i采用如下递归公式计算Z′i+1=Z′i+hi2·(Z′′i+Z′′i+1)---(17)]]>这种方法相当于二阶有限泰勒级数展开。展开式(17)以端点值Z’1＝0和Z’(Xn)＝0为初始条件。也可以采用相当于高阶级数展开的其他方法。
然后，根据二阶有限泰勒级数展开并结合Z’和Z”进行第二次积分来获得沉降特征曲线Z(x)，初始条件为Z1＝0和Zn＝0(参考区域)。再通过如下递归方程(二阶泰勒级数)获得沉降特征曲线Zi+1=Zi+Z′i·hi+Z′′i·hi2/2---(18)]]>另一种方法通过参考文献[5]中所述的所谓“样条”函数考虑修正特性。这种修正的原理包括求取一组多项式，每个多项式以可能的最相似的方式连接诸点，通过对数值和一阶导数应用连续性条件将它们加以连接。所以，这种数学修正考虑物理介质的物理连续性。通过寻找，得到了具有如下形式的三阶多项式(“三次样条函数”)来作为用来内插沉降特征曲线的多项式Zi(x)＝ai·(x-xi)3+bi·(x-xi)2+ci·(x-xi)+di(19)Z1(x)是在每个试验点Ai(xi，Zi)和Ai+1(xi+1，Zi+1)之间用内插法求得的样条函数曲线上的一个点。于是，有多少个段AiAi+1，就有多少组参数(ai，bi，ci，di)。所以，如果n是试验点的数目，那么就有(n-1)个区间和4·(n-1)个描述这个“样条”函数的参数。
让我们考虑宽度为hi、两端为点Ai和Ai+1的区间[i，i+1]。对这两个点中的每一点都可以应用“样条”函数Zi(x)的公式。所以对同一个区间得到如下两个方程对x＝xiZi＝di(20)对x＝xi+1Zi+1＝ai·hi3+bi·hi2+ci·hi+di(21)样条函数(在点i+1)的连续性通过递归方式获得Zi+1＝di+1＝ai·hi3+bi·hi2+ci·hi+di(22)类似地，在点i(x＝xi)的一阶导数的方程为
对区间[i，i+1]的点x＝xiZ’i＝ci(23)对区间[i-1，1]的点x＝xiZ’i-1＝3·ai-1·hi-12+2·bi-1·hi-1+ci-1(24)为了保证斜率的连续性，这两个导数必须相等。所以，我们得到一阶导数的连续性方程Z’i＝ci＝Z’i-1＝3·ai-1·hi-12+2·bi-1·hi-1+ci-1(25)为简化处理，常规方式是将这些方程代入该“样条”函数的二阶导函数。对每个区间i，这个二阶导数可以写成Z”(x)＝6·ai·(x-xi)+2·bi(26)接着，我们来定义代表每个区间的二阶导数的向量Si(xi)。对规定区间i的两个点Ai和Ai+1中的每个点，都能够应用式(26)，从而对同一个区间i得到对x＝xiSi＝2·bi(27)对x＝xi+1Si+1＝6·ai·hi+2bi(28)然后就能够用公式将参数ai、bi和ci直接表示成向量Si的函数。于是我们得到根据式(27)bi=Si2---(29)]]>根据式(28)ai=(Si+1-Si)6·hi---(30)]]>根据式(20)和(21)ci=Zi+1-Zihi-ai·hi2-bi·hi]]>用Si的函数(式(29)和(30))替换ai和bi，就得到ci=Zi+1-Zihi-hi6·(Si+1-Si)-Si2·hi]]>第一项对应于沉降特征曲线的梯度，所以该方程可以改写为ci=Zi′-hi6·(Si+1-Si)-Si2·hi---(31)]]>用由式(30)、(29)和(31)分别给出的数值替换ai、bi和ci，式(25)就可以被改写为这些参数Si的函数。于是，我们根据如下递归方程得到连续性方程
Si-1·hi-1+2·Si·(hi+hi-1)+Si+1·hi＝6·(Zi′-Zi-1′)(32)在固定间隔hi-1＝hi＝hi+1的情况下，这个连续性方程被简化为Si-1+4·Si+Si+1＝6·Zi″ (33)所以，能够确定参数Si(从而构造“样条”曲线)的递归方程(33)正好就是沉降特性曲线Zi的二阶导函数，也就是说，正比于所测量的弯曲变形的分布。
式(32)和(33)对2≤i≤n-1成立，故而是n-2个方程。所以，适当的方法是，增加另外两个相当于边界条件的方程以便最终构造该样条曲线。
位于该设备各端的两个参考区域是为了用来定义沉降函数的初始条件以及它的两个导数Z’和Z”。一旦被安装到参考区域，该设备的端点在隧道出口高度上就是固定的、水平的(Z’1＝0，Z’n＝0)。为说明这点，我们认为A和B具有固定参考高度(Z1＝0，Zn＝0)。另外，我们认为，根据这个参考区域，至少有两个测量区域处于水平位置，所以Z”1＝0且Z”n＝0。根据式(20)和(23)，分别有d1＝0、dn＝0以及c1＝0和cn＝0。因此参数(a1，b1)和(an，bn)像参数S1、S2、Sn-1和Sn一样，也是零。
式(33)可以采用矩阵方式表示为Miξ＝SiZξ″。这个方程能够通过迭代方式或通过计算逆矩阵求解，由此通过计算逆矩阵Miξ-1=coMiξTDet(Miξ)]]>就能求得Si。
接着，分别从式(30)和(29)推导向量ai和bi。可以归因于这些参数的误差主要是试验误差，因为计算非常简单，不会导致显著的数值分析误差。
然后，考虑上述初始条件分别从式(25)和(22)(连续性方程)推导参数ci和di。这种重构能够从两端进行，从而可以用2来除需要处理的最大点数(对60米缆线通常为2×30个点)。
结果的量化分析沉降深度测量的不确定性能够通过考虑变形测量的不确定性来加以估计。事实上，公共建设工程公司要求±1mrad的精度(在1米空间周期上1mm的深度误差)。角度梯度的不确定性可以写成
Δ[dα(x)dx]=1mrad/m=2Φ·Δϵf(x)---(34)]]>对直径5mm的装备缆线，相应变形测量的不确定性是±2.5微米/米。如果对多个值进行时间平均从而减少波长测量的不确定性，沉降幅度的这一希望精度能够通过特别提供的手段获得。
最终，可以将局部弯曲信息和局部拉力信息加以比较。这种检查提供了关于所遇到的地面沉降类型的信息。在沉降显著、圆弧具有1m弯曲的情况下，平均曲率半径记为ρ＝L2/(8·z)，对60m长的缆线则为450m。由于拉力引起的平均变形在一阶情况下的变化为ε＝2·z2/l2，大约是560微米/米。但是，由于弯曲引起的变形只有6微米/米，这个值相当低，接近于仪表分辨率。在这种情况下，拉力引起的变形明显超过了弯曲引起的变形。
相反，在具有显著局部弯曲的情况下(缆线在没有拉力时的局部地面沉降和纯弯曲)，弯曲变形能够超过拉力变形。特别是在沉降曲线不连续从而引起对缆线的剪切力(从而产生显著弯曲力矩)的情况下，就会遇到这种情形。
应用示例在为土木工程类型的应用进行初始设计时，本发明的系统能够被用于需要对变形和弯曲进行分布式测量、甚至探测裂缝的许多应用部门。
在土木工程领域，它能够被用来监测可能引起严重事故并导致极高维护费用的不均匀沉降、甚至不可预见坍塌的进展。这涉及大量基础设施，包括楼宇、工程建筑物、高层建筑、桥梁、大坝、道路、铁路、机场以及地面的或者近海的埋管或海底管线运输，譬如说，与地面接触的上升管道的弯曲。它也能够监测在已有建筑物之下进行坑道或隧道钻孔时的地面变化以免造成损坏。在进行掘进施工时，监督地面(变形、倾斜)能够控制敏感区域的混凝土灌注站，从而补偿地面的沉降(即所谓的补偿灌注)。
本发明的系统还能够在其他部门(譬如航空部门)被用来进行复杂结构(譬如宽体飞机)中分布变形的机载或非机载测量。
参考文献[1]US 5321257[2]“Industrial applications of the BOTDR optical fiber strainsensor”by H.Ohno，H.Naruse，M.Kikara and A.Shimada(opt.FiberTech.，7，2001，pages 45-64).(BOTDR光纤应变传感器的工业应用)[3]FR 2791768[4]“Health monitoring of the Saint-Jean Bridge of Bordeaux，France，using Fiber Bragg gratings Extensometers”by S.Magne，J.Boussoir，S.Rougeault，V.Marty-Dewynter，P.Ferdinand，and L.Bureau(SPIE 5050，Conf.on Smart Structures and Materials，2-6 March 2003，San Diego，California，USA，pages 305-316)(采用光纤布雷格光栅伸长器对法国波尔多圣让大桥的健康状态监测)[5]“Applied Numerical Analysis”by C.F.Gérald(Addison-Wesley，1970，pages 290-293)(应用数值分析)
权利要求
1.一种用于结构的轴向和弯曲变形的分布式或分散式测量的系统，包括至少一个为这些轴向和弯曲变形进行分布式或分散式测量而配备的线状设备(10)，以及用于处理由上述设备生成的测量信号的装置，其特征在于，每个设备包括圆柱形加强件(11)，用于支持其周围至少3条局部平行于该加强件轴线的光纤(12)，而且，该处理装置提供了用于对来自光纤的信号进行谱分或时分多路传输的装置。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，每条光纤具有至少一个布雷格光栅变换器，其中该处理装置允许进行分布式测量，而且该多路传输装置是波长多路传输装置。
3.根据权利要求1的系统，其特征在于，该处理装置允许进行通过布里渊反射计方法实现的分散式测量。
4.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述光纤(12)被排列在至少3个在该加强件周围形成的凹槽内。
5.根据权利要求4的系统，其特征在于，该加强件是实心的或中空的。
6.根据权利要求1的系统，其特征在于，包括至少一条能够进行温度自补偿的附加光纤。
7.根据权利要求6的系统，其特征在于，上述附加光纤具有沿其整个长度分布的布雷格光栅。
8.根据权利要求6的系统，其特征在于，上述附加光纤可自由地插入低摩擦的塑料细管。
9.根据权利要求1的系统，其特征在于，该设备(10)包括外壳(18)。
10.根据权利要求1的系统，其特征在于，该加强件通过挤拉玻璃环氧或玻璃乙烯酯合成材料来获得。
11.根据权利要求1的系统，其特征在于，金属扣件被压扣在该加强件(11)上。
12.根据权利要求1的系统，其特征在于，这些光纤经由将测量值传送到所述处理装置的多股光缆重新集合到一起。
13.根据权利要求1的系统，其特征在于，该加强件(11)由定位光纤(25)生成。
14.根据权利要求13的系统，其特征在于，它包括7条具有相同直径、以六角形图案自行定位的纤维制品(25、26、27、28、29)，在该加强件周围成120°间隔分布的3条纤维制品(26、27、28)是光纤。
15.根据权利要求14的系统，其特征在于，这些纤维制品外涂聚合物胶(30)。
16.根据权利要求14的系统，其特征在于，这些纤维制品用细管固定。
17.根据权利要求13的系统，其特征在于，该加强件是一条光纤(25)。
18.根据权利要求17的系统，其特征在于，至少一个布雷格光栅被刻在光纤(25)上以便进行温度补偿。
19.根据前述权利要求中任意一项的系统的应用，其特征在于，该系统被应用于对可能坍塌的地面的轴向和弯曲变形进行分布式或分散式测量。
全文摘要
本发明涉及用于对结构的轴向和弯曲变形进行分布式或分散式测量的系统，包括至少一个为这些轴向和弯曲变形进行分布式或分散式测量而配备的线状设备(10)，以及用于处理由上述设备生成的测量信号的装置，其中每个设备包括圆柱性加强件(11)，用于支撑其周围至少3条局部平行于该加强件轴线的光纤(12)，而且其中该处理装置提供了用于对来自诸光纤的信号进行谱分或时分多路传输的装置。
文档编号G01M11/08GK1930507SQ200580007776
公开日2007年3月14日 申请日期2005年3月9日 优先权日2004年3月11日
发明者西尔万·马涅, 皮埃尔·费迪南 申请人:原子能委员会