专利名称：光纤复合传感模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用光纤装置实现变形及运动方向同步测量的技术领域，特别涉及一种光纤复合传感模块。
背景技术：
地球是我们赖以生存的地方，我们所处的环境与我们的生活息息相关。陆地面积占地球的表面积不到30%，其中山地、高原、丘陵等占了地球表面积的绝大部分，在地质构造运动过程中形成了非常多的边坡；而且随着人类活动的不断扩张，还会产生很多因人工开挖或填筑所形成的边坡。然而，最为关键的是，由于全球变暖、土地过度利用、人口密度过大、恶劣的气候、地震，以及日益恶化的环境等使得不稳定边坡的危害几乎无处不在。我国幅员辽阔，70%的地区为山地，地理条件非常复杂，滑坡等边坡失稳灾害发生频次高、受灾面广，是世界上地质灾害受灾最严重的国家之一。据统计，近五年来我国共发生边坡失稳、地面塌陷、地裂缝等地质灾害近18万起，致观00余人死亡，近2500人受伤， 500多人失踪，直接经济损失近160亿元，严重影响了人民群众的生命财产安全，因此，建立有效的监测网络、及时预测与防护成为抵御灾害，减轻灾害损失的重要途径。然而，但据统计，近5年我国成功预报这些地质灾害发生的次数和比例呈不稳定发展态势，每年成功预报的数量均不足千次，2007年最高，920次，比例达3. 6% ；2006年最低，成功比例仅有0.5%，而且近5年成功监测比例的平均也仅为1.4%。这很大程度上是因为我国山区、丘陵地区多，受灾地区普遍地质情况都比较复杂；以及一些监测方法的某些核心技术受制于国外，一些监测仪器或辅材费用高等原因所致。因此，一方面我们应加强对边坡稳定性的监测，避免滑坡等地质灾害的产生，另一方面要加快辅材价格低、施测便利、 监测成本不高的技术和方法的研究。常用的监测技术有地球物理方法、近景摄影测量技术、“3S”技术、测斜仪技术、应变管技术、时域反射技术等，这些技术均不能同时实现辅材价格低廉、分布式、实时、远程遥测、有较高的初始测量精度、以及判断滑坡运动方向，使上述方法在边坡监测的应用中受限。光纤传感技术是一种以光为载体，以光纤为媒介来感测外部的物理、化学参量的传感技术。当光源发出泵浦光沿光纤传输，作用于光纤表面的外界的温度、压力、电场、位移、流速等参数的改变会使得光波的相位、强度(功率)、振幅、波长等特征参量发生改变， 从而通过对出射光波进行相应的解析即可测出我们感兴趣的参量。光纤传感技术依托光纤传感器完成。与传统的传感器相比具有显著的优势抗电磁干扰、电绝缘，重量小，灵敏度高，成本低，传输距离远；另外，光纤传感器还具有频带宽、 可集成、传输速度非常快等优势而能解决以往许多机类、电类传感器无法解决的技术难点问题。目前，基于同轴电缆的时域反射(TDR)监测技术、光时域反射技术(OTDR)和布里渊光时域反射技术(BOTDR)是国内研究的热点，但是这几种技术在用于边坡稳定监测时，
3各自都有缺陷，其中，TDR在无剪切力作用时敏感性差，不能判断荷载运动方向，难以用于初始精度高、行程大的测量场合；OTDR在应用中具有高初始精度，但目前的应用难以实现大量程和方位判定；而BOTDR虽然具有光信号损耗小、测距长的优点，并且单根光纤价格低廉，能够比较方便地确定变形的位置，但是其测量行程较小，而且在实现方位判定方面也有待于研究。现有的复合光纤检测模块在每个承载面上设计了三个装置以期实现较高的初始精度、较大的测量行程和对运动方向的判断。它需要同时配备光源、光谱仪(或频谱仪)和 OTDR等设备，在实际应用中较难实现，也很不方便；而且模块与钻孔之间的灌浆材料，如水泥砂浆、混凝土等对装置本身的握裹力很大，这会严重影响装置对预期功能的实现。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光纤复合传感模块，应用简单、方便，同时减少灌浆材料对光线的握紧力影响。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的光纤复合传感模块，包括基材，所述基材表面上设置有光纤，所述光纤外套有套管I。进一步，所述基材横截面为正方形或三角形。进一步，所述基材的材质为膨胀性聚酯乙烯或聚氯乙烯。进一步，所述套管I包括自由段和锚固于基材上锚固段。进一步，所述自由段的套管I外还设置有套管II。进一步，所述锚固段的套管I上设置有用于锚固的锚固块。进一步，所述套管I和套管II为毛细钢管或塑料管。进一步，所述基材横截面为正方形，基材四个表面上分别沿长度方向各设置有1 个光纤结构。进一步，所述光纤结构具有延伸出基材外的蝴蝶结。本发明采用的基材简单、便宜。基材为普通的商用膨胀性聚酯乙烯或EPS、聚氯乙烯PVC材料，不需特别加工和生产，横截面为50mmX 50mm的、材性较好的EPS基材市场价仅为0. 1-0. 15元/m。本发明操作简单、实施方便。对一个被测体施测时，测量仪器只需1台光时域反射(OTDR)仪，若干长度的基材、光纤和光纤保护套管。其实施是在成型的基材上黏贴保护光纤的套管，之后将光纤穿入每根套管内，可以用光纤熔接机把4个面上的光纤焊成1根后再接OTDR仪；也可用波分复用器将4个面上的光纤组合，再形成1根光纤接至 OTDR仪。此外，本发明具有更好的检测效果，由于光纤套管设有固定端和自由端，固定端保证套管与灌浆材料粘结牢固、变形一致，而自由端使用两层套管则保证套管I及其内的光纤自由运动，不受灌浆材料握裹力的影响，真正实现被测体变形等信息的同步监测。而且， 本发明的复合光纤检测模块，仅需要在基材的每个面上设置一根光纤，即可实现对被测体有高的初始测量精度、大的测量行程和动态范围、对荷载方向的判断，并可通过光缆或信号发射装置，将复合光纤检测模块采集的信号发送至远程监控中心，以实现远程、实时遥测。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中图1为光纤复合传感模块的结构示意图；图2为光纤复合传感模块试验试件的横截面示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。参见图1，本实施例的光纤复合传感模块，包括基材1，所述基材1的形状和尺寸可根据需要选择，本实施例的基材1横截面为正方形，所述基材的材质可根据被测体的材性参数进行选择，膨胀性聚酯乙烯塑性大，较软，适宜于被测体材性较松散、强度不高的情况， 而或聚氯乙烯需要现场拼装，强度、刚度较大，适宜于被测体较硬、密实的情况，也可选择其它适合的材料。基材1的四个外侧面上分别沿长度方向各设置有1个光纤结构7，所述光纤结构7 包括光纤2和光纤外套的套管13，作为更佳的实施例，所述套管13包括自由段31和锚固段32，所述锚固段的套管I上设置有用于锚固的锚固块6，所述自由段的套管13外还设置有套管114，所述光纤结构还包括延伸出基材外的蝴蝶结5，套管I靠近蝴蝶结5的一端为锚固段32，另一端为自由段31。套管I和套管II为毛细钢管或塑料管。按图2中四根光纤上、右、下、左的顺序依次编号为1号-4号，则本发明中复合光纤检测模块监测的原理如下若按1号光纤在靠近探测器的近端而3号光纤在远端的方式布置，当按照柱剪切破坏模式考虑，那么1号光纤外的套管最先产生剪应力，并伴有拉应力；之后是2号光纤外的套管、4号光纤外的套管受剪应力；3号光纤外的套管因EPS材料太软而只能延迟传递部分剪力，故受力最小，也最晚。因为套管在滑移面以下固定，滑移面以上自由，其所受的力必然引起自由端套管的滑动。而套管内穿有光纤，套管的受力将传给光纤，其运动也将导致光纤滑移，从而使得自由端光纤蝴蝶结尺寸缩小，光纤曲率加大，进而产生微弯损耗，并被OTDR仪所捕获。因此，可以根据光纤产生损耗的先后确定荷载的运动方向，即从1号光纤向3号光纤方向运动。以下为本实施例的光纤复合传感模块的双剪试验制作三组试件，所述试件的横截面如图2所示，试件包括光纤复合传感模块和外套于其外的UPVC管8，光纤复合传感模块与UPVC管8间灌注有灌浆材料9，所述基材采用 EPS材料，套管采用毛细钢管，采用的EPS材料相关参数如下
权利要求
1.光纤复合传感模块，包括基材，其特征在于所述基材表面上设置有光纤，所述光纤外套有套管I。
2.根据权利要求1所述的光纤复合传感模块，其特征在于所述基材横截面为正方形或三角形。
3.根据权利要求1所述的光纤复合传感模块，其特征在于所述基材的材质为膨胀性聚酯乙烯或聚氯乙烯。
4.根据权利要求1所述的光纤复合传感模块，其特征在于所述套管I包括自由段和锚固段。
5.根据权利要求4所述的光纤复合传感模块，其特征在于所述自由段的套管I外还设置有套管II。
6.根据权利要求5所述的光纤复合传感模块，其特征在于所述锚固段的套管I上设置有用于锚固的锚固块。
7.根据权利要求5所述的光纤复合传感模块，其特征在于所述套管I和套管II为毛细钢管或塑料管。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光纤复合传感模块，其特征在于所述基材横截面为正方形，基材四个外侧面上分别沿长度方向各设置有1个光纤结构。
9.根据权利要求8所述的光纤复合传感模块，其特征在于所述光纤结构具有延伸出基材外的蝴蝶结。
全文摘要
本发明涉及采用光纤装置实现变形及运动方向同步测量的技术领域，特别涉及一种复合光纤检测模块，应用简单、方便，同时消除灌浆材料对光纤的握裹力影响。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的光纤复合传感模块，包括基材，所述基材表面上设置有光纤，所述光纤外套有套管I，所述套管I包括自由段和锚固于基材上锚固段，所述自由段的套管I外还设置有套管II，所述锚固段的套管I上设置有用于锚固的锚固块。本发明仅需要在基材的每个面上各设置一根光纤，即可实现对被测体有高的初始测量精度、大的测量行程和动态范围、对荷载方向的判断，此外，可保证光纤自由运动，不受灌浆材料握裹力的影响，真正实现被测体变形等信息的同步监测。
文档编号G01D5/26GK102252703SQ20111018222
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者刘东燕, 刘邦, 朱正伟, 罗虎, 袁侨英 申请人:重庆大学