基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及光纤传感技术领域,尤其涉及一种基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器。本发明所要解决的技术问题是设计一种量程大、位移数据无需积分、结构简单、易于在深部岩土工程结构中应用的全分布式光纤位移传感器,其包括全分布式传感光纤,全分布式传感光纤上串接有两个以上光纤光栅,光纤光栅作为位置指示器,其中一个光纤光栅的位置固定不动。
【专利说明】
基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域,尤其涉及一种基于光纤光栅定位的全分布式光纤 位移传感器。
【背景技术】
[0002] 位移监测是滑坡体地下深部变形评价的重要手段,已经在大坝、岩体、边坡稳定性 预测预报中得到大量应用。国家经济建设的发展对形监测技术提出了更高的要求,急需量 程大、精度高、稳定性好的形监测技术,尤其是随着我国近些年来对铁路、公路、水利工程投 资的大幅度上升,实时、准确地监测坝体、边坡变形等稳定问题显得十分重要。
[0003 ] 位移传感器有电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波 式位移传感器和霍尔式位移传感器等。这些电类传感器存在电磁干扰、量程小(多在微米量 级)等缺陷。近年来,光纤光栅位移传感器与全分布式位移传感器能够满足大型基础设施的 监测要求,在深入研究结构全断面应变位移演化规律和损毁机理时这两类传感器备受关 注。但这两类传感器也有一定的缺陷,光纤光栅位移传感器通过内部敏感元件光纤光栅反 射的波长移动量来检测位移,存在结构设计复杂、量程小、无法直接获得位移数据等不足, 在实际工程中应用困难。光纤光栅准分布式位移传感器与布里渊分布式位移传感器是通过 结构分布式应变积分获得结构位移,位移测量误差大。
[0004] 本发明能解决的技术问题是设计一种量程大、位移数据直接显示、结构简单、易于 深植大型结构体内的基于光纤光栅的全分布式光纤位移传感器。而且,在研究大型桥梁的 长预应力筋和索应变全长分布规律,隧道、路基、边坡、大坝和管道的沉降、变形、滑移全断 面分布规律等方面有着明显的优势。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是设计一种位移数据无需积分、量程大、结构简单、易 于在深部岩土工程结构中应用的基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器。
[0006] 本发明的技术方案为:
[0007] -种基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器,包括全分布式传感光纤,其 特征在于所述全分布式传感光纤上串接有两个以上光纤光栅,所述光纤光栅作为位置指示 器,其中一个所述光纤光栅的位置固定不动。
[0008] 具体的,光纤光栅以布喇格光纤光栅为宜。
[0009] 具体的,分布式传感光纤上串接两个光纤光栅,所述分布式传感光纤上受载光纤 段的段数n = 5,每段所述受载光纤段的长度等于待测结构的受载长度。
[0010]具体的,光纤光栅使用单模光纤。
[0011]具体的,光纤光栅布设间隔大于4m。
[0012]本发明的有益效果:针对深部岩体、边坡滑移等大量程位移难于测量的问题,以及 预应力筋等大长度受载结构的位移难于测量的问题,本发明设计开发了大量程基于光纤光 栅定位的全分布式光纤位移传感器,输出数据无需通过参数转换或积分获得,实现了位移 数据的直接监测,可通过结构调整灵活设计传感器的位移灵敏度。按照本发明的技术方案 设计的全分布式光纤位移传感器的位移灵敏度高达5.21。
【附图说明】
[0013]图1为基于光纤光栅的分布式光纤位移传感原理图。
[0014]图2为实施例2中2#位移传感器位移加载实验装置示意图。
[0015]图3为实施例1中1#位移传感器的FBG定位光时域谱,其中图3(a)为1#位移传感器 FBG定位的全时域谱,图3 (b)为1 #位移传感器中光纤光栅FBGi的定位的光时域谱,图3 (c)为 1 #位移传感器中光纤光栅FBG2的的光时域谱,图3 (d)为1 #位移传感器中光纤光栅FBG3的定 位的光时域谱。
[0016] 图4为实施例1中1#位移传感器的应变谱。
[0017] 图5为实施例1中1#位移传感器的理论计算与位移传感数据比较。
[0018]图6为实施例2中2#位移传感器的FBG定位光时域谱,其中图6(a)为2#位移传感器 中光纤光栅FBGi的定位的光时域谱,图6 (b)为2#位移传感器中光纤光栅FBG2的定位的光时 域谱,图6 (c) 2#位移传感器FBG定位全光时域谱。
[0019] 图7为实施例2中2#位移传感器的应变谱。
[0020] 图8为实施例2中2#位移传感器的理论计算与位移传感数据比较。
[0021 ]图9为实施例2中2#位移传感器的位移灵敏度曲线。
【具体实施方式】
[0022]光时域反射是对长距离光纤进行损耗和定位评价的有效手段,也是强度调制型光 纤传感器进行探测的重要方法。光时域反射依据光纤光栅后向反射光与后向布里渊散射光 方向相同、光功率差异大的特性,通过光时域谱实现光栅定位,因此光栅位置点将有一个对 应的反射事件,当外界位移发生变化时,就会引起光时域谱上两个光栅反射事件的空间位 置发生相对变化,从而实现位移的测量。实施例的具体做法是在分布式传感光纤上串接两 个光纤光栅作为位置指示器,当两个光纤光栅之间的位移发生变化时,一个光纤光栅FBGi 的空间位置从Pi变化到Pi 1,另一个光纤光栅FBG2的空间位置从P2变化到if,因此,结构位移 即可通过光纤光栅之间的相对位置改变朽-5)-(?-扪反应出来,如图1所示。
[0023] 光纤的最大应变量约为ΙΟΟΟΟμε,超过光纤的极限应变后光纤将会断裂损坏,因此 按照应变位移理论,位移传感器量程与结构的受载长度相关,即为
[0025] 式1中,D为位移传感器的量程,单位m; Lo为位移传感器的初始长度,单位m; η为绕 结构铺设的受载光纤段的段数;emax为光纤所受最大应变量,单位ε。
[0026] 由式1可知实施例中位移传感器的输出直接为长度或位移,无需通过转换或积分 求解。位移传感器的量程也可根据实际工程需要进行设计,如果需要大量程,那么位移传感 器的受载长度要增大。该位移传感器通过结构灵活设计可测量大范围的位移变化,可于适 用于像预应力筋等这种大长度受载结构。
[0027]利用式2计算位移传感器的位移灵敏度系数KD:
[0029] 式2中,KD为位移传感器的应变灵敏度系数;Δ Lo为受载结构位移,单位m。
[0030] 位移传感器的量程D和应变灵敏度系数KD均可根据实际工程需要灵活设计。从式 1可知,提高位移传感器的量程需要增大受载结构长度;从式2可知,提高位移灵敏度系数, 就需要在受载结构位移一定的前提下,增大两个光纤光栅间的距离。因此,在实际工程中, 如果结构位移一定时,可以通过增大受载光纤段数进而增大光栅间距,实现灵敏度系数的 提尚。
[0031] 本发明的突出特点在于不仅可以实现受载结构位移的直接测量,还可以在结构上 连续布设多个光纤光栅,构成多个位移传感器,实现结构的分级位移测量,同时也很好的解 决了位移传感器的复用问题。
[0032] 实施例1
[0033]实施例1中1#位移传感器中供串接有3个不同波长的光纤光栅,均为布拉格光栅, 其性能参数如表1所示。位移加载实验中,由于实验室空间的限制,结构受载长度不能设计 的太大,但在实际工程中该因素不受影响,为了提高位传感器移量程与灵敏度系数,在实验 中设计了多段受载光纤。其中,1#位移传感器布设了 4段3.96m的受载光纤段(均为受拉光纤 段),通过位移滑台施加位移,加载位移为lcm、2cm、3cm(对应应变为2525.3με、5050.5με、 7575.8με),保证加载应变小于极限应变。
[0034] 实施例2
[0035]为了增大位移量,减小施加的应变幅,实施例2中2#位移传感器中供串接有2个不 同波长的光纤光栅,均为布拉格光栅,其性能参数如表1所不。位移加载实验中,2#位移传感 器布设了 5段5.0m的受载光纤段(均为受拉光纤段),通过位移滑台施加位移,加载位移为 0 · 5cm、lcm、1 · 5cm、2cm、2 · 5cm(对应应变为ΙΟΟΟμε、2000με、3000με、4000με、5000με),保证 光纤在受拉过程中不发生脱黏现象。实验过程中,固定光纤一端的位置不变,另一端通过位 移滑台施加位移,以达到改变光纤光栅间距的目的,实现结构位移测量,如图2所示。
[0036]表1光纤光栅的性能参数
[0039] 实施例1和实施例2的试验均采用NEUBREX公司的ΝΒΧ-7020光纤应力分析仪,测试 空间分辨率分别为2cm(脉冲宽度0.2ns),采样间隔为lcm,整个试验过程中室温为23.4°C〇
[0040] 图3为1#位移传感器的光时域谱图,该图表明1#位移传感器能够通过光时域方法 得到三个光纤光栅空间位置,从图3(a)中可以清晰的看到有三个光纤光栅反射峰,与1#位 移传感器中预设的三个光纤光栅相吻合;从图3(b)中可以看到结构位移为lcm、2 Cm、3Cm时, 光纤光栅FBGi的位置基本保持不变,与参考空间位置基本保持一致,定位数据的重复性较 好,有lcm的误差。从图3(c)中可以看到,当加载位移为lcm时,光纤光栅FBG 2的位置为 20.236m,与参考空间位置20.215m相比,增加了约2cm,说明了位移导致FBG2空间位置发生 改变,位移实测值2cm与理论值3.2cm有差异,造成该差异的原因是仪器本身的参数设置,即 最小采样点间隔为lcm,因此系统误差为lcm。加载位移为2cm、3cm时,光纤光栅FBG 2的空间 位置基本相同,没有出现位移导致FBG2的空间位置变大,原因是:①第一段受载光纤段已松 弛,应变小,尽管第二、四段受载光纤段应变增大(如图4所示),二者产生的位移相互抵消, 总位移基本保持不变;②最小采样点间隔为lcm,是仪器本身的参数设置。从图3(d)中可以 看到加载位移为1 cm时,光栅光纤FBG3的位置为32.32m,与参考空间位置32.289m相比,增加 了3. lcm,同样也说明位移增大导致FBG2的空间位置发生改变。产生测量误差的原因在于结 构施加应变太大,导致两端黏结区光纤已经脱胶,产生了光纤松弛现象。从图4和表2中可以 看到,加载位移为1〇11,2〇11,3〇11,第一段受载光纤段的应变9015.478以£下降到6358.8724£, 甚至5105.708με,说明第一段光纤已经松弛,第二段、第四段受载光纤段加载到2cm时两端 黏结良好,但加载到3cm时光纤已经脱胶。第三段受载光纤段加载到lcm时两端黏结良好,加 载到2cm、3cm时,该段光纤两端的黏结点已经脱胶。
[0041] 基于以上分析,实施例1由于光纤的松弛与采样点间隔的限制双重原因,全分布式 光纤位移传感器位移实测值与理论计算值之间的误差,导致位移传感器的理论与实测值吻 合度较低,仅为〇. 57 (如图5所示)。同时,该位移传感器的应变灵敏度由于加载光纤两端出 现脱胶,实测应变灵敏度已无法分析。
[0042] 表2 1#位移传感器应变测试数据
[0044]为了增大位移量程,减小施加的应变幅,防止黏结区光纤脱胶现象发生,实施例2 中2#位移传感器增加了受载光纤段数与加载长度,加载长度即受载光纤段的长度,实施例2 中2#位移传感器的加载长度为5m。图6为2#位移传感器的定位谱图,从图6(c)中可以清晰的 看到有2个光纤光栅反射峰,与2#位移传感器中预设的2个光纤光栅相吻合。从图6(a)中可 以看到加载位移为0.5cm、lcm、1.5cm、2cm、2.5cm时,光纤光栅FBGi的位置基本保持不变,与 参考空间位置基本保持一致。从图6(b)中可以看到随着加载位移增大时,光纤光栅FBG 2的 位置从参考空间位置40.041m逐渐变大到40.174m,增加了 13.3cm,与理论计算值12.7cm基 本吻合。从图7和表3中可以看到,加载位移为0.5cm、lcm、1.5cm、2cm、2.5cm时,5段受拉光纤 的应变幅均匀,加载应变与实际相符,同时也表明2#位移传感器两端黏贴区未见到光纤脱 黏现象发生。位移传感器位移加载数据与2#位移传感器的测量结果一致,例如当结构加载 位移为2.5cm时,光栅间距理论计算为12.5cm(2.5cmX 5段受载光纤),实测光栅间距变化为 12.7cm,二者之间吻合非常好,通过对实测数据与理论计算之间数据分析得到二者的吻合 度为1.078(见图8)。全分布式位移传感器的位移灵敏度系数为5.21(见图9),线性度良好, 根据公式理论灵敏度系数为5.32,与5段受载光纤的实际情况吻合,因此,提高位移传感器 的位移灵敏度可以通过增大光纤受载段数来实现。该传感器最大基本误差为2cm,因此,该 传感器系统误差是确定的,如果提高位移传感器的测试精度,只能通过增大受载光纤段数 进来实现。
[0045] 表3 2#位移传感器应变测试数据
[0047] 本发明针对深部岩体、边坡滑移等大量程位移难于测量的问题,设计开发了大量 程基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器,其输出数据无需通过参数转换或积分获 得。本发明提出了一种基于光纤光栅的光时域定位原理,实施例及其试验结果表明基于光 纤光栅的光时域定位原理可行,实施例1和实施例2两种全分布式位移传感器均能实现位移 的测量,其中,实施例2中2#位移传感器的位移灵敏度高达5.21。实施例的试验结果表明,可 通结构设计灵活提高位移传感灵敏度和测试精度,例如增大受载光纤的长度可提高位移传 感器的量程,增大受载光纤的段数可提高位移传感器的灵敏度。
[0048] 因为受到实验室场地大小的限制,位移传感器的受载长度有限,因此上述实施方 式并非为本发明的优选实施例,也并非本发明可行实施的穷举,可根据工程实际要求和位 移传感器的基本原理,灵活设计位移传感器的量程与位移灵敏度。对于本领域一般技术人 员而言,在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动,都应当 被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器,包括全分布式传感光纤,其特 征在于所述全分布式传感光纤上串接有两个及两个以上光纤光栅,所述光纤光栅作为位置 指示器,其中一个所述光纤光栅的位置固定不动,两个及两个以上所述光纤光栅之间的受 载段数/3至少为1段。2. 根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器,其特征 在于:所述的光纤光栅以布喇格光纤光栅为宜。3. 根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器,其特征 在于对于结构受载长度为l〇m的结构,所述分布式传感光纤上受载光纤段的段数/3多5,每段 所述受载光纤段的长度等于待测结构的受载长度。4. 根据权利要求1或2所述的一种基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器,其特 征在于:所述的光纤光栅使用单模光纤。5. 根据权利要求1或2所述的一种基于光纤光栅定位的全分布式光纤位移传感器,其特 征在于:所述的光纤光栅布设间隔大于4m。
【文档编号】G01B11/02GK106091938SQ201610407045
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】李剑芝, 徐龙祥, 李义强, 侯跃敏, 孙宝臣
【申请人】石家庄铁道大学