基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種量程大、位移數(shù)據(jù)無(wú)需積分、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于在深部巖土工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的全分布式光纖位移傳感器，其包括全分布式傳感光纖，全分布式傳感光纖上串接有兩個(gè)以上光纖光柵，光纖光柵作為位置指示器，其中一個(gè)光纖光柵的位置固定不動(dòng)。
【專利說(shuō)明】
基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖 位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 位移監(jiān)測(cè)是滑坡體地下深部變形評(píng)價(jià)的重要手段，已經(jīng)在大壩、巖體、邊坡穩(wěn)定性 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中得到大量應(yīng)用。國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展對(duì)形監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，急需量 程大、精度高、穩(wěn)定性好的形監(jiān)測(cè)技術(shù)，尤其是隨著我國(guó)近些年來(lái)對(duì)鐵路、公路、水利工程投 資的大幅度上升，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)壩體、邊坡變形等穩(wěn)定問(wèn)題顯得十分重要。
[0003 ] 位移傳感器有電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超聲波 式位移傳感器和霍爾式位移傳感器等。這些電類傳感器存在電磁干擾、量程?。ǘ嘣谖⒚琢?級(jí))等缺陷。近年來(lái)，光纖光柵位移傳感器與全分布式位移傳感器能夠滿足大型基礎(chǔ)設(shè)施的 監(jiān)測(cè)要求，在深入研究結(jié)構(gòu)全斷面應(yīng)變位移演化規(guī)律和損毀機(jī)理時(shí)這兩類傳感器備受關(guān) 注。但這兩類傳感器也有一定的缺陷，光纖光柵位移傳感器通過(guò)內(nèi)部敏感元件光纖光柵反 射的波長(zhǎng)移動(dòng)量來(lái)檢測(cè)位移，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、量程小、無(wú)法直接獲得位移數(shù)據(jù)等不足， 在實(shí)際工程中應(yīng)用困難。光纖光柵準(zhǔn)分布式位移傳感器與布里淵分布式位移傳感器是通過(guò) 結(jié)構(gòu)分布式應(yīng)變積分獲得結(jié)構(gòu)位移，位移測(cè)量誤差大。
[0004] 本發(fā)明能解決的技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種量程大、位移數(shù)據(jù)直接顯示、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于 深植大型結(jié)構(gòu)體內(nèi)的基于光纖光柵的全分布式光纖位移傳感器。而且，在研究大型橋梁的 長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力筋和索應(yīng)變?nèi)L(zhǎng)分布規(guī)律，隧道、路基、邊坡、大壩和管道的沉降、變形、滑移全斷 面分布規(guī)律等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種位移數(shù)據(jù)無(wú)需積分、量程大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易 于在深部巖土工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] -種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，包括全分布式傳感光纖，其 特征在于所述全分布式傳感光纖上串接有兩個(gè)以上光纖光柵，所述光纖光柵作為位置指示 器，其中一個(gè)所述光纖光柵的位置固定不動(dòng)。
[0008] 具體的，光纖光柵以布喇格光纖光柵為宜。
[0009] 具體的，分布式傳感光纖上串接兩個(gè)光纖光柵，所述分布式傳感光纖上受載光纖 段的段數(shù)n = 5,每段所述受載光纖段的長(zhǎng)度等于待測(cè)結(jié)構(gòu)的受載長(zhǎng)度。
[0010]具體的，光纖光柵使用單模光纖。
[0011]具體的，光纖光柵布設(shè)間隔大于4m。
[0012]本發(fā)明的有益效果:針對(duì)深部巖體、邊坡滑移等大量程位移難于測(cè)量的問(wèn)題，以及 預(yù)應(yīng)力筋等大長(zhǎng)度受載結(jié)構(gòu)的位移難于測(cè)量的問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了大量程基于光纖光 柵定位的全分布式光纖位移傳感器，輸出數(shù)據(jù)無(wú)需通過(guò)參數(shù)轉(zhuǎn)換或積分獲得，實(shí)現(xiàn)了位移 數(shù)據(jù)的直接監(jiān)測(cè)，可通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整靈活設(shè)計(jì)傳感器的位移靈敏度。按照本發(fā)明的技術(shù)方案 設(shè)計(jì)的全分布式光纖位移傳感器的位移靈敏度高達(dá)5.21。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為基于光纖光柵的分布式光纖位移傳感原理圖。
[0014]圖2為實(shí)施例2中2#位移傳感器位移加載實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
[0015]圖3為實(shí)施例1中1#位移傳感器的FBG定位光時(shí)域譜，其中圖3(a)為1#位移傳感器 FBG定位的全時(shí)域譜，圖3 (b)為1 #位移傳感器中光纖光柵FBGi的定位的光時(shí)域譜，圖3 (c)為 1 #位移傳感器中光纖光柵FBG2的的光時(shí)域譜，圖3 (d)為1 #位移傳感器中光纖光柵FBG3的定 位的光時(shí)域譜。
[0016] 圖4為實(shí)施例1中1#位移傳感器的應(yīng)變譜。
[0017] 圖5為實(shí)施例1中1#位移傳感器的理論計(jì)算與位移傳感數(shù)據(jù)比較。
[0018]圖6為實(shí)施例2中2#位移傳感器的FBG定位光時(shí)域譜，其中圖6(a)為2#位移傳感器 中光纖光柵FBGi的定位的光時(shí)域譜，圖6 (b)為2#位移傳感器中光纖光柵FBG2的定位的光時(shí) 域譜，圖6 (c) 2#位移傳感器FBG定位全光時(shí)域譜。
[0019] 圖7為實(shí)施例2中2#位移傳感器的應(yīng)變譜。
[0020] 圖8為實(shí)施例2中2#位移傳感器的理論計(jì)算與位移傳感數(shù)據(jù)比較。
[0021 ]圖9為實(shí)施例2中2#位移傳感器的位移靈敏度曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]光時(shí)域反射是對(duì)長(zhǎng)距離光纖進(jìn)行損耗和定位評(píng)價(jià)的有效手段，也是強(qiáng)度調(diào)制型光 纖傳感器進(jìn)行探測(cè)的重要方法。光時(shí)域反射依據(jù)光纖光柵后向反射光與后向布里淵散射光 方向相同、光功率差異大的特性，通過(guò)光時(shí)域譜實(shí)現(xiàn)光柵定位，因此光柵位置點(diǎn)將有一個(gè)對(duì) 應(yīng)的反射事件，當(dāng)外界位移發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)引起光時(shí)域譜上兩個(gè)光柵反射事件的空間位 置發(fā)生相對(duì)變化，從而實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。實(shí)施例的具體做法是在分布式傳感光纖上串接兩 個(gè)光纖光柵作為位置指示器，當(dāng)兩個(gè)光纖光柵之間的位移發(fā)生變化時(shí)，一個(gè)光纖光柵FBGi 的空間位置從Pi變化到Pi 1，另一個(gè)光纖光柵FBG2的空間位置從P2變化到if，因此，結(jié)構(gòu)位移 即可通過(guò)光纖光柵之間的相對(duì)位置改變朽-5)-(?-捫反應(yīng)出來(lái)，如圖1所示。
[0023] 光纖的最大應(yīng)變量約為ΙΟΟΟΟμε，超過(guò)光纖的極限應(yīng)變后光纖將會(huì)斷裂損壞，因此 按照應(yīng)變位移理論，位移傳感器量程與結(jié)構(gòu)的受載長(zhǎng)度相關(guān)，即為
[0025] 式1中，D為位移傳感器的量程，單位m; Lo為位移傳感器的初始長(zhǎng)度，單位m; η為繞 結(jié)構(gòu)鋪設(shè)的受載光纖段的段數(shù);emax為光纖所受最大應(yīng)變量，單位ε。
[0026] 由式1可知實(shí)施例中位移傳感器的輸出直接為長(zhǎng)度或位移，無(wú)需通過(guò)轉(zhuǎn)換或積分 求解。位移傳感器的量程也可根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果需要大量程，那么位移傳感 器的受載長(zhǎng)度要增大。該位移傳感器通過(guò)結(jié)構(gòu)靈活設(shè)計(jì)可測(cè)量大范圍的位移變化，可于適 用于像預(yù)應(yīng)力筋等這種大長(zhǎng)度受載結(jié)構(gòu)。
[0027]利用式2計(jì)算位移傳感器的位移靈敏度系數(shù)KD:
[0029] 式2中，KD為位移傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)；Δ Lo為受載結(jié)構(gòu)位移，單位m。
[0030] 位移傳感器的量程D和應(yīng)變靈敏度系數(shù)KD均可根據(jù)實(shí)際工程需要靈活設(shè)計(jì)。從式 1可知，提高位移傳感器的量程需要增大受載結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度;從式2可知，提高位移靈敏度系數(shù)， 就需要在受載結(jié)構(gòu)位移一定的前提下，增大兩個(gè)光纖光柵間的距離。因此，在實(shí)際工程中， 如果結(jié)構(gòu)位移一定時(shí)，可以通過(guò)增大受載光纖段數(shù)進(jìn)而增大光柵間距，實(shí)現(xiàn)靈敏度系數(shù)的 提尚。
[0031] 本發(fā)明的突出特點(diǎn)在于不僅可以實(shí)現(xiàn)受載結(jié)構(gòu)位移的直接測(cè)量，還可以在結(jié)構(gòu)上 連續(xù)布設(shè)多個(gè)光纖光柵，構(gòu)成多個(gè)位移傳感器，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的分級(jí)位移測(cè)量，同時(shí)也很好的解 決了位移傳感器的復(fù)用問(wèn)題。
[0032] 實(shí)施例1
[0033]實(shí)施例1中1#位移傳感器中供串接有3個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光柵，均為布拉格光柵， 其性能參數(shù)如表1所示。位移加載實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)室空間的限制，結(jié)構(gòu)受載長(zhǎng)度不能設(shè)計(jì) 的太大，但在實(shí)際工程中該因素不受影響，為了提高位傳感器移量程與靈敏度系數(shù)，在實(shí)驗(yàn) 中設(shè)計(jì)了多段受載光纖。其中，1#位移傳感器布設(shè)了 4段3.96m的受載光纖段(均為受拉光纖 段），通過(guò)位移滑臺(tái)施加位移，加載位移為lcm、2cm、3cm(對(duì)應(yīng)應(yīng)變?yōu)?525.3με、5050.5με、 7575.8με)，保證加載應(yīng)變小于極限應(yīng)變。
[0034] 實(shí)施例2
[0035]為了增大位移量，減小施加的應(yīng)變幅，實(shí)施例2中2#位移傳感器中供串接有2個(gè)不 同波長(zhǎng)的光纖光柵，均為布拉格光柵，其性能參數(shù)如表1所不。位移加載實(shí)驗(yàn)中，2#位移傳感 器布設(shè)了 5段5.0m的受載光纖段（均為受拉光纖段），通過(guò)位移滑臺(tái)施加位移，加載位移為 0 · 5cm、lcm、1 · 5cm、2cm、2 · 5cm(對(duì)應(yīng)應(yīng)變?yōu)棣│苔拧?000με、3000με、4000με、5000με)，保證 光纖在受拉過(guò)程中不發(fā)生脫黏現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，固定光纖一端的位置不變，另一端通過(guò)位 移滑臺(tái)施加位移，以達(dá)到改變光纖光柵間距的目的，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移測(cè)量，如圖2所示。
[0036]表1光纖光柵的性能參數(shù)
[0039] 實(shí)施例1和實(shí)施例2的試驗(yàn)均采用NEUBREX公司的ΝΒΧ-7020光纖應(yīng)力分析儀，測(cè)試 空間分辨率分別為2cm(脈沖寬度0.2ns)，采樣間隔為lcm，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中室溫為23.4°C〇
[0040] 圖3為1#位移傳感器的光時(shí)域譜圖，該圖表明1#位移傳感器能夠通過(guò)光時(shí)域方法 得到三個(gè)光纖光柵空間位置，從圖3(a)中可以清晰的看到有三個(gè)光纖光柵反射峰，與1#位 移傳感器中預(yù)設(shè)的三個(gè)光纖光柵相吻合;從圖3(b)中可以看到結(jié)構(gòu)位移為lcm、2 Cm、3Cm時(shí)， 光纖光柵FBGi的位置基本保持不變，與參考空間位置基本保持一致，定位數(shù)據(jù)的重復(fù)性較 好，有l(wèi)cm的誤差。從圖3(c)中可以看到，當(dāng)加載位移為lcm時(shí)，光纖光柵FBG 2的位置為 20.236m，與參考空間位置20.215m相比，增加了約2cm，說(shuō)明了位移導(dǎo)致FBG2空間位置發(fā)生 改變，位移實(shí)測(cè)值2cm與理論值3.2cm有差異，造成該差異的原因是儀器本身的參數(shù)設(shè)置，即 最小采樣點(diǎn)間隔為lcm，因此系統(tǒng)誤差為lcm。加載位移為2cm、3cm時(shí)，光纖光柵FBG 2的空間 位置基本相同，沒(méi)有出現(xiàn)位移導(dǎo)致FBG2的空間位置變大，原因是:①第一段受載光纖段已松 弛，應(yīng)變小，盡管第二、四段受載光纖段應(yīng)變?cè)龃?如圖4所示），二者產(chǎn)生的位移相互抵消， 總位移基本保持不變;②最小采樣點(diǎn)間隔為lcm，是儀器本身的參數(shù)設(shè)置。從圖3(d)中可以 看到加載位移為1 cm時(shí)，光柵光纖FBG3的位置為32.32m，與參考空間位置32.289m相比，增加 了3. lcm，同樣也說(shuō)明位移增大導(dǎo)致FBG2的空間位置發(fā)生改變。產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因在于結(jié) 構(gòu)施加應(yīng)變太大，導(dǎo)致兩端黏結(jié)區(qū)光纖已經(jīng)脫膠，產(chǎn)生了光纖松弛現(xiàn)象。從圖4和表2中可以 看到，加載位移為1〇11，2〇11，3〇11，第一段受載光纖段的應(yīng)變9015.478以￡下降到6358.8724￡， 甚至5105.708με，說(shuō)明第一段光纖已經(jīng)松弛，第二段、第四段受載光纖段加載到2cm時(shí)兩端 黏結(jié)良好，但加載到3cm時(shí)光纖已經(jīng)脫膠。第三段受載光纖段加載到lcm時(shí)兩端黏結(jié)良好，加 載到2cm、3cm時(shí)，該段光纖兩端的黏結(jié)點(diǎn)已經(jīng)脫膠。
[0041] 基于以上分析，實(shí)施例1由于光纖的松弛與采樣點(diǎn)間隔的限制雙重原因，全分布式 光纖位移傳感器位移實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值之間的誤差，導(dǎo)致位移傳感器的理論與實(shí)測(cè)值吻 合度較低，僅為〇. 57 (如圖5所示）。同時(shí)，該位移傳感器的應(yīng)變靈敏度由于加載光纖兩端出 現(xiàn)脫膠，實(shí)測(cè)應(yīng)變靈敏度已無(wú)法分析。
[0042] 表2 1#位移傳感器應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)
[0044]為了增大位移量程，減小施加的應(yīng)變幅，防止黏結(jié)區(qū)光纖脫膠現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)施例2 中2#位移傳感器增加了受載光纖段數(shù)與加載長(zhǎng)度，加載長(zhǎng)度即受載光纖段的長(zhǎng)度，實(shí)施例2 中2#位移傳感器的加載長(zhǎng)度為5m。圖6為2#位移傳感器的定位譜圖，從圖6(c)中可以清晰的 看到有2個(gè)光纖光柵反射峰，與2#位移傳感器中預(yù)設(shè)的2個(gè)光纖光柵相吻合。從圖6(a)中可 以看到加載位移為0.5cm、lcm、1.5cm、2cm、2.5cm時(shí)，光纖光柵FBGi的位置基本保持不變，與 參考空間位置基本保持一致。從圖6(b)中可以看到隨著加載位移增大時(shí)，光纖光柵FBG 2的 位置從參考空間位置40.041m逐漸變大到40.174m，增加了 13.3cm，與理論計(jì)算值12.7cm基 本吻合。從圖7和表3中可以看到，加載位移為0.5cm、lcm、1.5cm、2cm、2.5cm時(shí)，5段受拉光纖 的應(yīng)變幅均勻，加載應(yīng)變與實(shí)際相符，同時(shí)也表明2#位移傳感器兩端黏貼區(qū)未見(jiàn)到光纖脫 黏現(xiàn)象發(fā)生。位移傳感器位移加載數(shù)據(jù)與2#位移傳感器的測(cè)量結(jié)果一致，例如當(dāng)結(jié)構(gòu)加載 位移為2.5cm時(shí)，光柵間距理論計(jì)算為12.5cm(2.5cmX 5段受載光纖），實(shí)測(cè)光柵間距變化為 12.7cm，二者之間吻合非常好，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算之間數(shù)據(jù)分析得到二者的吻合 度為1.078(見(jiàn)圖8)。全分布式位移傳感器的位移靈敏度系數(shù)為5.21(見(jiàn)圖9)，線性度良好， 根據(jù)公式理論靈敏度系數(shù)為5.32，與5段受載光纖的實(shí)際情況吻合，因此，提高位移傳感器 的位移靈敏度可以通過(guò)增大光纖受載段數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該傳感器最大基本誤差為2cm，因此，該 傳感器系統(tǒng)誤差是確定的，如果提高位移傳感器的測(cè)試精度，只能通過(guò)增大受載光纖段數(shù) 進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0045] 表3 2#位移傳感器應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)
[0047] 本發(fā)明針對(duì)深部巖體、邊坡滑移等大量程位移難于測(cè)量的問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了大量 程基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其輸出數(shù)據(jù)無(wú)需通過(guò)參數(shù)轉(zhuǎn)換或積分獲 得。本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵的光時(shí)域定位原理，實(shí)施例及其試驗(yàn)結(jié)果表明基于光 纖光柵的光時(shí)域定位原理可行，實(shí)施例1和實(shí)施例2兩種全分布式位移傳感器均能實(shí)現(xiàn)位移 的測(cè)量，其中，實(shí)施例2中2#位移傳感器的位移靈敏度高達(dá)5.21。實(shí)施例的試驗(yàn)結(jié)果表明，可 通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活提高位移傳感靈敏度和測(cè)試精度，例如增大受載光纖的長(zhǎng)度可提高位移傳 感器的量程，增大受載光纖的段數(shù)可提高位移傳感器的靈敏度。
[0048] 因?yàn)槭艿綄?shí)驗(yàn)室場(chǎng)地大小的限制，位移傳感器的受載長(zhǎng)度有限，因此上述實(shí)施方 式并非為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，也并非本發(fā)明可行實(shí)施的窮舉，可根據(jù)工程實(shí)際要求和位 移傳感器的基本原理，靈活設(shè)計(jì)位移傳感器的量程與位移靈敏度。對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人 員而言，在不背離本發(fā)明原理和精神的前提下對(duì)其所作出的任何顯而易見(jiàn)的改動(dòng)，都應(yīng)當(dāng) 被認(rèn)為包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，包括全分布式傳感光纖，其特 征在于所述全分布式傳感光纖上串接有兩個(gè)及兩個(gè)以上光纖光柵，所述光纖光柵作為位置 指示器，其中一個(gè)所述光纖光柵的位置固定不動(dòng)，兩個(gè)及兩個(gè)以上所述光纖光柵之間的受 載段數(shù)/3至少為1段。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其特征 在于:所述的光纖光柵以布喇格光纖光柵為宜。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其特征 在于對(duì)于結(jié)構(gòu)受載長(zhǎng)度為l〇m的結(jié)構(gòu)，所述分布式傳感光纖上受載光纖段的段數(shù)/3多5,每段 所述受載光纖段的長(zhǎng)度等于待測(cè)結(jié)構(gòu)的受載長(zhǎng)度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其特 征在于:所述的光纖光柵使用單模光纖。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其特 征在于:所述的光纖光柵布設(shè)間隔大于4m。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK106091938SQ201610407045
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】李劍芝, 徐龍祥, 李義強(qiáng), 侯躍敏, 孫寶臣
【申請(qǐng)人】石家莊鐵道大學(xué)