一種分布式光纖測斜裝置及測斜方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分布式光纖測斜裝置及測斜方法，裝置包括光纖分布式傳感單元、光纖耦合器、PPP?BOTDA和分析顯示系統(tǒng)，光纖分布式傳感單元經(jīng)光纖耦合器與PPP?BOTDA連接，PPP?BOTDA與分析顯示系統(tǒng)連接；光纖分布式傳感單元包括內(nèi)部十字空心的傳感棒、兩個(gè)U型光纖，兩個(gè)U型光纖呈十字嵌固或膠結(jié)在內(nèi)部十字空心的傳感棒內(nèi)，且兩個(gè)U型光纖的橫向部分相互垂直，U型光纖的兩端經(jīng)光纖耦合器與PPP?BOTDA連接。測斜方法通過向兩個(gè)U型光纖的兩端注入短脈沖光和連續(xù)探測光，測量光纖中受激布里淵散射光的頻率變化，獲得U型光纖豎向各點(diǎn)的應(yīng)變信息。本發(fā)明具有操作簡便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易維修、傳感單元造價(jià)低、對傾斜測量和定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種分布式光纖測斜裝置及測斜方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種分布式光纖測斜裝置及測斜方法，具體涉及一種使用分布式光纖 與內(nèi)部十字空心傳感棒嵌固或膠結(jié)形成傳感單元的分布式光纖測斜裝置及測斜方法，屬于 光纖測斜技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 測斜儀廣泛用于觀測山體邊坡、土石壩、海邊堤防以及建筑物基坑等土體內(nèi)部的 水平方向變化大小。測斜儀分固定測斜儀和活動(dòng)測斜儀，固定測斜儀又分垂直固定測斜儀 和水平固定測斜儀。垂直固定測斜儀可應(yīng)用于監(jiān)測支撐深基坑的隔墻的變形、隧道建筑物 引起的地面位移、堤和擋土墻的變形、大壩、公路和鐵路上方的滑坡地區(qū)的傾斜變形等;水 平固定測斜儀可監(jiān)測由隧道施工及開挖引起的地面位移、補(bǔ)償回填和托換基礎(chǔ)的穩(wěn)定情 況、油罐、填埋場及堤壩、水壩的沉降等。目前固定式測斜儀價(jià)格昂貴、耐久性差，由于一般 監(jiān)測環(huán)境潮濕甚至在水下，條件惡劣，電式測斜儀易出現(xiàn)故障或損壞，尤其高幾十甚至數(shù)百 米的邊坡，固定式測斜儀性價(jià)比差，活動(dòng)測斜儀需要人工測量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其極端氣候或 腐蝕環(huán)境下難以及時(shí)測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種分布式光纖測斜裝置及測斜方法，具有 操作簡便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易維修、傳感單元造價(jià)低、對傾斜測量和定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0005] -種分布式光纖測斜裝置，包括光纖分布式傳感單元、光纖耦合器、PPP-B0TDA和 分析顯示系統(tǒng)，所述光纖分布式傳感單元經(jīng)光纖耦合器與PPP-B0TDA連接，PPP-B0TDA與分 析顯示系統(tǒng)連接;所述光纖分布式傳感單元包括內(nèi)部十字空心的傳感棒、兩個(gè)U型光纖，兩 個(gè)U型光纖呈十字嵌固或膠結(jié)在內(nèi)部十字空心的傳感棒內(nèi)，且兩個(gè)U型光纖的橫向部分相互 垂直，U型光纖的兩端經(jīng)光纖耦合器與PPP-B0TDA連接。
[0006] 作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述PPP-B0TDA包括順次連接的可調(diào)諧激光器、 光耦合器、光電檢測器以及信號處理器，所述可調(diào)諧激光器與光纖耦合器連接，信號處理器 與分析顯示系統(tǒng)連接。
[0007] 作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述光纖為緊套單模光纖。
[0008] 作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述光纖分布式傳感單元可通過熔接或法蘭盤 相連的方式，增加光纖分布式傳感單元的長度。
[0009] -種分布式光纖測斜方法，包括如下步驟：
[0010]步驟1，選擇合適長度的內(nèi)部十字空心的傳感棒，制作光纖分布式傳感單元，將光 纖分布式傳感單元放入測斜管中；
[0011] 步驟2,將光纖分布式傳感單元接入PPP-B0TDA，向兩個(gè)U型光纖的兩端分別注入短 脈沖光和連續(xù)探測光，PPP-B0TDA測量光纖中受激布里淵散射光的頻率變化，獲得各U型光 纖兩個(gè)豎向光纖段中各點(diǎn)的應(yīng)變信息；
[0012] 步驟3,分析顯示系統(tǒng)判斷各U型光纖兩個(gè)豎向光纖段中各點(diǎn)的應(yīng)變信息的差異， 通過解算各U型光纖兩個(gè)豎向光纖段應(yīng)變的差異，得到該點(diǎn)的傾斜方向與傾斜角度。
[0013] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0014] 1、本發(fā)明分布式光纖測斜裝置及測斜方法，能夠精確的監(jiān)測出傾斜方向與傾斜角 度，且不受環(huán)境氣候和被測體腐蝕成分影響，可以全天候應(yīng)用本裝置進(jìn)行傾斜自動(dòng)化或人 工監(jiān)測，較為省時(shí)省力，性價(jià)比高。
[0015] 2、本發(fā)明分布式光纖測斜裝置及測斜方法，具有操作簡便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易維 修、傳感單元造價(jià)低、對傾斜測量和定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明分布式光纖測斜裝置的結(jié)構(gòu)及組成示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明分布式光纖測斜裝置的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明分布式光纖測斜裝置的橫截面結(jié)構(gòu)及組成示意圖，其中，（a)為內(nèi)部 十字空心的傳感棒底部橫截面，（b)為內(nèi)部十字空心的傳感棒非底部的任一橫截面。
[0019] 其中，1-PPP-B0TDA與分析顯示系統(tǒng)，2-U型光纖，3-光纖耦合器，4-內(nèi)部十字空心 的傳感棒，5-測斜管。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0021] 本發(fā)明分布式光纖測斜方法，采用分布式光纖測斜裝置實(shí)現(xiàn)，主要包括三個(gè)部分： 脈沖預(yù)栗浦-布里淵時(shí)域分析器（pulse-prepump-brilliouin optical time domain analyzer，PPP_B0TDA)、光纖親合器、光纖分布式傳感單兀。通過光纖親合器的分光作用，將 一個(gè)光傳輸路線分成兩路光傳輸路線即兩個(gè)U型光纖。
[0022] PPP-B0TDA用于采集和分析激光脈沖從單模傳感光纖的兩端注入短脈沖光和連續(xù) 探測光，通過測量光纖中受激布里淵散射光的頻率變化，獲得光纖軸向各點(diǎn)的應(yīng)變信息。 PPP-B0TDA主要包括:可調(diào)諧激光器、光耦合器、光電檢測器、信號處理器。其中，可調(diào)諧激光 器用于向光纖兩端分別注入短脈沖光和連續(xù)探測光，光耦合器用于將光纖一端的連續(xù)光進(jìn) 行合路，光電檢測器用于檢測光纖一端耦合出來的連續(xù)光的功率，確定光纖各小段區(qū)域上 能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)所對應(yīng)的頻率差，同時(shí)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行放大和去噪，信 號處理器用于處理采集到的電信號。
[0023] 光纖分布式傳感單元是將緊套單模光纖嵌固或膠結(jié)在內(nèi)部十字空心傳感棒內(nèi)，構(gòu) 成沿十字雙向傳感單元，并將U型光纖的兩端留出接口用于接入PPP-B0TDA。當(dāng)有需要傾斜 測量時(shí)，利用PPP-B0TDA，根據(jù)光纖軸向應(yīng)變的變化就可以得出該點(diǎn)的傾斜方向與傾斜角 度。
[0024] 如圖1、圖2所示，分別為分布式光纖測斜裝置的組成及結(jié)構(gòu)示意圖、立體結(jié)構(gòu)圖。 分布式光纖測斜裝置包括PPP-B0TDA與分析顯示系統(tǒng)1，U型光纖2,光耦合器3,內(nèi)部十字空 心的傳感棒4,測斜管5。如圖3所示，為本發(fā)明分布式光纖測斜裝置的橫截面結(jié)構(gòu)及組成示 意圖，其中，（a)為內(nèi)部十字空心的傳感棒底部橫截面，對應(yīng)圖1、圖2中的(5)、A;(b)為內(nèi)部十 字空心的傳感棒非底部的任一橫截面，對應(yīng)圖1、圖2中的⑨、B。
[0025] 本發(fā)明一種分布式光纖測斜裝置，涉及基于緊套單模光纖與內(nèi)部十字空心傳感棒 嵌固或膠結(jié)形成傳感單元的分布式光纖測斜方法，測斜過程包括以下步驟：
[0026] (1)首先根據(jù)需要監(jiān)測邊坡、建筑物的高度或深度，鉆孔埋設(shè)測斜管至相對不動(dòng) 點(diǎn)。
[0027] (2)選擇合適長度的內(nèi)部十字空心（嵌固或膠結(jié)相應(yīng)長度緊套單模光纖)傳感單 元，固定式可將多段傳感單元逐段沿測斜管凹槽放入，直至測斜管孔底，各段傳感單元的光 釬可通過熔接或法蘭盤相連，十字空心棒通過螺栓相連固定。活動(dòng)式觀測可用尼龍繩吊住 傳感單元(長度可根據(jù)需要定制，一般0.5~lm)，并沿測斜管凹槽放入測斜管底部，以一定 間隔提升進(jìn)行傾斜測量。
[0028] (3)將光纖傳感單元接入PPP-B0TDA對布設(shè)于被測體內(nèi)的傳感單元光纖進(jìn)行應(yīng)變 測量。
[0029] (4)根據(jù)PPP-B0TDA的應(yīng)變實(shí)時(shí)測量值，解算U型光纖兩個(gè)豎向光纖段應(yīng)變，得出該 點(diǎn)的傾斜方向與傾斜角度。
[0030] (5)若固定式或活動(dòng)式傳感單元出現(xiàn)故障，可將傳感單元從測斜管中提出，更換預(yù) 先制作的傳感單元，或應(yīng)用內(nèi)部十字空心棒和緊套單模光纖等備件，現(xiàn)場制作傳感單元進(jìn) 行更換。
[0031] 該監(jiān)測方法主要通過光纖耦合器，從兩個(gè)U型光纖的兩端注入短脈沖光和連續(xù)探 測光，測量光纖中受激布里淵散射光的頻率變化，獲得U型光纖兩個(gè)豎向光纖段各點(diǎn)的應(yīng)變 信息，通過解算U型光纖兩個(gè)豎向光纖段應(yīng)變，得出該點(diǎn)的傾斜方向與傾斜角度，并通過改 變栗浦光的形態(tài)，在測量的脈沖光發(fā)出前，增加一段預(yù)栗浦脈沖波來激發(fā)聲子，以提高空間 分辨率。
[0032] PPP-B0TDA可以對光纖分布式應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和定位。正常情況下，當(dāng)光纖所處 部位沒有出現(xiàn)傾斜時(shí)，U型光纖兩側(cè)的應(yīng)變處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)；當(dāng)光纖監(jiān)測的某個(gè)部位出 現(xiàn)傾斜時(shí)，原有的應(yīng)變場將改變，PPP-B0TDA系統(tǒng)實(shí)測該部位的應(yīng)變分布將出現(xiàn)變化。這樣， 就可以依據(jù)U型光纖兩側(cè)的應(yīng)變出現(xiàn)突變的地點(diǎn)來判斷結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜的部位，這就是基于 分布式光纖布里淵散射的傾斜監(jiān)測原理。
[0033]以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是 按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分布式光纖測斜裝置，其特征在于，包括光纖分布式傳感單元、光纖耦合器、 PPP-BOTDA和分析顯示系統(tǒng)，所述光纖分布式傳感單元經(jīng)光纖耦合器與PPP-BOTDA連接， PPP-BOTDA與分析顯示系統(tǒng)連接;所述光纖分布式傳感單元包括內(nèi)部十字空心的傳感棒、兩 個(gè)U型光纖，兩個(gè)U型光纖呈十字嵌固或膠結(jié)在內(nèi)部十字空心的傳感棒內(nèi)，且兩個(gè)U型光纖的 橫向部分相互垂直，U型光纖的兩端經(jīng)光纖耦合器與PPP-BOTDA連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分布式光纖測斜裝置，其特征在于，所述PPP-BOTDA包括順次連 接的可調(diào)諧激光器、光耦合器、光電檢測器以及信號處理器，所述可調(diào)諧激光器與光纖耦合 器連接，信號處理器與分析顯示系統(tǒng)連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分布式光纖測斜裝置，其特征在于，所述光纖為緊套單模光纖。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分布式光纖測斜裝置，其特征在于，所述光纖分布式傳感單元可 通過熔接或法蘭盤相連的方式，增加光纖分布式傳感單元的長度。5. -種分布式光纖測斜方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，選擇合適長度的內(nèi)部十字空心的傳感棒，制作光纖分布式傳感單元，將光纖分 布式傳感單元放入測斜管中； 步驟2,將光纖分布式傳感單元接入PPP-BOTDA，向兩個(gè)U型光纖的兩端分別注入短脈沖 光和連續(xù)探測光，PPP-BOTDA測量光纖中受激布里淵散射光的頻率變化，獲得各U型光纖兩 個(gè)豎向光纖段中各點(diǎn)的應(yīng)變信息； 步驟3,分析顯示系統(tǒng)判斷各U型光纖兩個(gè)豎向光纖段中各點(diǎn)的應(yīng)變信息的差異，通過 解算各U型光纖兩個(gè)豎向光纖段應(yīng)變的差異，得到該點(diǎn)的傾斜方向與傾斜角度。
【文檔編號】G01C9/00GK106092050SQ201610683629
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月17日 公開號201610683629.X, CN 106092050 A, CN 106092050A, CN 201610683629, CN-A-106092050, CN106092050 A, CN106092050A, CN201610683629, CN201610683629.X
【發(fā)明人】鄭東健, 陶亮, 鄭詩鈺, 陳波, 蘇懷智, 謝榮暉, 沈晶鑫, 劉永濤, 劉俊汝
【申請人】河海大學(xué)