專利名稱：一種采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，涉及 測(cè)量應(yīng)力、溫度的測(cè)量、類似線性尺寸的測(cè)量及管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
地下礦層被開(kāi)采后形成的空間稱為采空區(qū)。地下礦層被開(kāi)采后，其上部巖層失去 支撐，平衡條件被破壞，隨之產(chǎn)生彎曲、塌落，以致發(fā)展到地表下沉變形，造成地表塌陷，形 成凹地。隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，凹地不斷發(fā)展而形成采空塌陷區(qū)，進(jìn)而對(duì)地上或地下建 (構(gòu))筑物產(chǎn)生危害。采空塌陷災(zāi)害是造成人類生命財(cái)產(chǎn)損失的地質(zhì)災(zāi)害的主要形式之一。 長(zhǎng)距離輸油或輸氣管道輸送距離可達(dá)數(shù)千公里，常不可避免地要穿過(guò)采空塌陷區(qū)。由于選 線的不充分或地下礦體的進(jìn)一步開(kāi)采等原因，在采空塌陷區(qū)的管道有可能在活動(dòng)塌陷盆地 內(nèi)通過(guò)，從而使管道的安全運(yùn)營(yíng)遭受嚴(yán)重威脅。早在1865年美國(guó)建成全球第一條原油管道起，世界即進(jìn)入到了管道運(yùn)營(yíng)的時(shí)代， 而管道通過(guò)采空區(qū)問(wèn)題則不斷出現(xiàn)。1975年英國(guó)國(guó)家煤炭理事會(huì)頒布的《塌陷工程手冊(cè)》 中規(guī)定了預(yù)測(cè)管道通過(guò)煤礦采空區(qū)地表塌陷的“NCB法”。1986年，國(guó)際管道科學(xué)研究院委 托Battelle研究院對(duì)穿越采空塌陷區(qū)的管道受力性狀和防治方法進(jìn)行了研究，形成了《開(kāi) 采塌陷區(qū)的管道監(jiān)測(cè)與防治》報(bào)告(NG-18，No. 155)，該項(xiàng)目系統(tǒng)總結(jié)了采空塌陷的特征，分 析了采空區(qū)對(duì)管道的危害，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算軟件，提出了塌陷區(qū)管道監(jiān)測(cè)方法。我國(guó)管道事業(yè)雖然起步較晚，但我國(guó)的管道工業(yè)正處在蓬勃發(fā)展之中，這些管道 大多將我國(guó)西部豐富的石油天然氣輸送到我國(guó)的東部，正在加緊建設(shè)和規(guī)劃的能源輸送管 道有西氣東輸、中緬管道、蘭鄭長(zhǎng)管道等多條上千公里管道。這些管線經(jīng)過(guò)許多礦物采空區(qū) 或未來(lái)開(kāi)采區(qū)。如西氣東輸一線管線途徑山西、山東、陜西、寧夏4個(gè)省區(qū)的8個(gè)礦區(qū)，受76 個(gè)礦井開(kāi)采形成的部分采空區(qū)的影響，總長(zhǎng)度約887. 494km，采空區(qū)一旦形成，將破壞地表 平衡條件，導(dǎo)致地表大面積下沉、凹陷、裂縫或誘發(fā)滑坡、崩塌等次生災(zāi)害，直接影響管道安 全；鄯烏天然氣管道沿途經(jīng)過(guò)12處采空塌陷區(qū)，受影響總長(zhǎng)度約12. 6km，對(duì)管道安全生產(chǎn) 構(gòu)成重大威脅，其中以蘆草溝塌陷區(qū)最為嚴(yán)重；陜京輸氣管線途經(jīng)山西煤礦區(qū)，蘭鄭長(zhǎng)成品 油管線河南段、鐵大原油管線等也容易發(fā)生采空塌陷等災(zāi)害。面對(duì)眾多的采空塌陷災(zāi)害，我國(guó)的管道運(yùn)營(yíng)公司雖然采取了積極的工程防護(hù)措 施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防護(hù)工程也并非“一勞永逸”，設(shè) 計(jì)施工的不確定因素較多，再者防護(hù)治理的周期長(zhǎng)以及治理時(shí)機(jī)不易掌握。而監(jiān)測(cè)則是一 種高效、低成本的防治措施。美國(guó)國(guó)際管道科學(xué)研究院(PRCI)將監(jiān)測(cè)管道作為防治采空塌 陷災(zāi)害的主要方式，我國(guó)的西氣東輸、陜京線等管道投產(chǎn)后對(duì)采空區(qū)也進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的采空區(qū)土體變形采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺、支距尺和全站儀或GPS等方 法，這些方法的實(shí)時(shí)性都較差，均是對(duì)地表已經(jīng)塌陷這一既有現(xiàn)象進(jìn)行結(jié)果監(jiān)測(cè)，難以滿足 采空區(qū)監(jiān)測(cè)超前預(yù)報(bào)、長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)在線的要求。傳統(tǒng)的管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)以電阻式應(yīng)變計(jì)、振弦 式應(yīng)變計(jì)為主，在耐腐蝕、抗干擾方面較差，穩(wěn)定性也難以滿足要求。近幾年興起的分布式
4光纖傳感技術(shù)(以BOTDR為代表)在管體監(jiān)測(cè)方面已有一定的應(yīng)用。目前的這些監(jiān)測(cè)方式均局限于對(duì)采空塌陷(致災(zāi)體)或埋地管道(承災(zāi)體)進(jìn)行 獨(dú)立監(jiān)測(cè)，還未對(duì)采空塌陷變形及其影響下的管道進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)，也沒(méi)有對(duì)采空塌 陷區(qū)土體變形信息的超前監(jiān)測(cè)和管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)。聯(lián)合監(jiān)測(cè)不僅能超前判斷采空塌陷作 用的活動(dòng)情況、發(fā)育發(fā)展規(guī)律、破壞機(jī)理，還能查明采空塌陷對(duì)管道的影響方式和程度，更 重要的是能掌握鋼質(zhì)管道的應(yīng)力位移變化規(guī)律，判斷管道的安全狀態(tài)，為防治時(shí)機(jī)的確定 提供依據(jù)。綜合以上的信息，就能對(duì)采空塌陷區(qū)管道進(jìn)行安全預(yù)警，提前預(yù)報(bào)采空區(qū)的穩(wěn)定 狀態(tài)以及管道的危險(xiǎn)狀態(tài)，為減災(zāi)方案的設(shè)計(jì)實(shí)施提供依據(jù)。聯(lián)合監(jiān)測(cè)代表了采空塌陷區(qū) 管道監(jiān)測(cè)的趨勢(shì)。光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無(wú)源器件。它是利用光纖材料的光敏特性 在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區(qū)域的 傳播行為方式。除具有普通光纖抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特 點(diǎn)外，光纖光柵還具有其獨(dú)特的特性易于與光耦合、耦合損耗小、易于波分復(fù)用等。因而使 得光纖光柵在光纖通訊和光纖傳感等領(lǐng)域有著廣闊的前景。作為光子研究領(lǐng)域的一種新興 技術(shù)，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術(shù)近年來(lái)受到普遍關(guān)注，各國(guó)研究者積極開(kāi)展 有關(guān)研究工作。目前，已報(bào)道的光纖光柵傳感器可以監(jiān)測(cè)的物理量有溫度、應(yīng)變、壓力、位 移、壓強(qiáng)、扭角、扭矩(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動(dòng)等， 其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)是最簡(jiǎn)單、最普遍的一種光纖光柵。它 是一段折射率呈周期性變化的光纖，其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。溫度、應(yīng) 變的變化會(huì)引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖布拉格光柵的反射譜 和透射譜發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng) 的溫度和應(yīng)變的信息，這就是用光纖布拉格光柵測(cè)量溫度和應(yīng)變的基本原理。由耦合模理論可知，均勻的光纖布拉格光柵可以將其中傳輸?shù)囊粋€(gè)導(dǎo)模耦合到另 一個(gè)沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射，峰值反射波長(zhǎng)(布拉格波長(zhǎng))入，為λΒ = 2neffA(1)式中λ B為布拉格波長(zhǎng)；nrff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵柵距。對(duì)式(1)微分可得光柵的中心波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變的關(guān)系^ = {α/+ξ)ΑΤ + {\~Ρ^ε(2)式中 =+^為光纖的熱膨脹系數(shù)；為光纖材料的熱光系數(shù)；
Λ dTη dT
Pe = -If為光纖材料的彈光系數(shù)。由式(2)可知，應(yīng)變是由于光纖布拉格光柵周期的伸縮 η αε
和彈光效應(yīng)引起布拉格波長(zhǎng)的變化，而溫度是由于光纖布拉格光柵熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng) 引起布拉格波長(zhǎng)的變化。光纖光柵可制成各種傳感器件，在傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電傳感器 相比，光纖光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)(1)傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形可 變，適合埋入各種大型結(jié)構(gòu)中，可測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性 好；(2)與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、光損耗低、光譜特性好、可靠性高；(3)具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境 中工作；(4)輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫(xiě)入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí) 分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式傳感；(5)測(cè)量信息以波長(zhǎng)編碼，因而光纖光柵傳感器不受 光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接與耦合損耗、光波偏振態(tài)變化等因素的影響，具較強(qiáng)的抗干擾能 力；(6)高靈敏度、高分辯力。與廣泛使用的布里淵光時(shí)域反射計(jì)BOTDR相比，光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)有(1)對(duì) 測(cè)量點(diǎn)能精確定位，分辨率高；(2)成本低；(3)能對(duì)傳感部分進(jìn)行加工、封裝，使其更適合 現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。由于這些優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程領(lǐng)域中，光纖光柵傳感器很容易埋入巖土體中對(duì)其內(nèi) 部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍測(cè)量，技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯，尤其體現(xiàn)在能獲得長(zhǎng)期、 可靠的巖土體變形數(shù)據(jù)，目前還未見(jiàn)到光纖光柵傳感技術(shù)用于采空區(qū)管體應(yīng)變、管土相對(duì) 位移及采空區(qū)管道敷設(shè)帶土體水平變形聯(lián)合監(jiān)測(cè)的報(bào)道。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種空間分辨率高、成本低、安全有效的基于光纖光柵 實(shí)時(shí)在線的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本實(shí)用新型提出的基于光纖光柵傳感技術(shù)的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括 三部分管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置、采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)裝置。 其中，管體應(yīng)變和管土相對(duì)位移采用光纖光柵傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置，采空塌陷區(qū)水平 變形采用光纖光柵傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置，光纖光柵預(yù)警內(nèi)容包括對(duì)管體應(yīng)力應(yīng)變的預(yù) 警、管土相對(duì)位移的預(yù)警及管道上方土體變形的預(yù)警。采空塌陷區(qū)油氣管道聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。它包括管體應(yīng)變監(jiān)測(cè) 裝置、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置三部分。在采空塌陷區(qū)1的油 氣管道a2的監(jiān)測(cè)截面上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器a3和管土相對(duì)位移傳感器a4，每個(gè)截面 上的傳感器熔接串聯(lián)，然后通過(guò)光纖接線盒a6與引至監(jiān)測(cè)站的光纜a7連接，在監(jiān)測(cè)站里， 光纜a7與光開(kāi)關(guān)8連接，光開(kāi)關(guān)8與光纖光柵解調(diào)儀9連接，光纖光柵解調(diào)儀9與下位機(jī) 10連接，下位機(jī)10預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通訊模塊all傳輸，GPRS通訊模塊bl2接收 后傳到上位機(jī)13 ；同時(shí)，在管頂鋪設(shè)光纖光柵傳感網(wǎng)a5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平位移，也將數(shù)據(jù) 傳輸至上位機(jī)13。采空塌陷區(qū)油氣管道聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體體構(gòu)成如圖9所示，該系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)數(shù) 據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)。其中包括了管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè) 裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置三部分?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括光纖光柵傳感網(wǎng)、光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵位 移傳感器、光開(kāi)關(guān)、光纖光柵解調(diào)儀、下位機(jī)、GPRS通訊模塊，光纖光柵傳感網(wǎng)、光纖光柵應(yīng) 變傳感器、光纖光柵位移傳感器輸出分別接光開(kāi)關(guān)的輸入，光開(kāi)關(guān)的輸出接光纖光柵解調(diào) 儀的輸入，光纖光柵解調(diào)儀的輸出接下位機(jī)的輸入，下位機(jī)的輸出接GPRS通訊模塊。遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)包括GPRS通訊模塊、上位機(jī)、數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信 號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示；GPRS通訊模塊的輸出接上位機(jī)的輸入，上位機(jī)的輸出 分別接數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示的輸入。[0025]光纖光柵應(yīng)變傳感器a3和管土相對(duì)位移傳感器a4將管體應(yīng)變和管土相對(duì)位移 信號(hào)經(jīng)光纜a7傳到光開(kāi)關(guān)8，光開(kāi)關(guān)8后經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)傳至下位機(jī)10，下位機(jī) 10調(diào)用自編的程序，控制光開(kāi)關(guān)8和光纖光柵解調(diào)儀9，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處 理；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通訊模塊all傳輸、GPRS通訊模塊bl2接收傳到上位機(jī)13，上 位機(jī)13對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，判斷管道的受力變形狀態(tài)及管土相對(duì)位移；同時(shí)， 光纖光柵傳感網(wǎng)a5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平變形，也以同樣方式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)13，上位機(jī) 13對(duì)土體變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合管道的變形和管土相對(duì)位移的分析結(jié)果，判斷采空塌 陷區(qū)管道的安全狀態(tài)及采空區(qū)土體的塌陷情況。該系統(tǒng)的電原理如圖10所示，分別監(jiān)測(cè)管體應(yīng)變、管土相對(duì)位移、塌陷區(qū)水平變 形的三類光纖光柵傳感器一光纖光柵應(yīng)變傳感器a3、光纖光柵位移傳感器a4、光纖光柵傳 感網(wǎng)a5的PC接頭用光纜a7與光開(kāi)關(guān)8的PC接頭連接，光開(kāi)關(guān)8的R232連接下位機(jī)10 的R232接口，光開(kāi)關(guān)8的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀9SM125的PC接口，光纖光柵解調(diào)儀 9SM125的LAN端口連接下位機(jī)10的LAN端口，下位機(jī)10的輸出由VGA端接顯示器的VGA 端，下位機(jī)10的R232端口接GPRS傳輸模塊all西門子MC35i的R232端口，GPRS傳輸模 塊al 1經(jīng)天線GSM、GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS接收模塊bl2天線GSM接收后由R232接到上位機(jī)13 的R232，上位機(jī)13的輸出由VGA端接顯示器的VGA端。管體應(yīng)變、管土相對(duì)位移、塌陷區(qū)水平變形的三類光纖光柵傳感器的輸出信號(hào)經(jīng) 光開(kāi)關(guān)8逐一導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀9，光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)出各光纖光柵傳感器的 中心波長(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)10，光開(kāi)關(guān)8導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)10控制。下位機(jī)10 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給GPRS傳輸模塊all，GPRS傳輸模塊all將下位 機(jī)10計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過(guò)公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機(jī)13，上位機(jī)通過(guò) 自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。其中所述管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置包括光纖光柵應(yīng)變傳感器a3、光開(kāi)關(guān)8、光纖光柵解調(diào)儀 9、下位機(jī)10、GPRS通訊模塊all、GPRS通訊模塊bl2、上位機(jī)13，由于光開(kāi)關(guān)8、光纖光柵解 調(diào)儀9、下位機(jī)10、GPRS通訊模塊all、GPRS通訊模塊bl2、上位機(jī)13是共用，此處只說(shuō)明管 體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置中的特殊部分；如圖3所示，在管道bl4的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面間隔90°方向均 勻布置3個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器al5、光纖光柵應(yīng)變傳感器bl6、光纖光柵應(yīng)變傳感器cl7 和一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器18，4個(gè)傳感器通過(guò)熔接串聯(lián)，然后通過(guò)光纖接線盒al9與光纜b20 連接，光纜b20將信號(hào)引致監(jiān)測(cè)站；所述管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置包括光纖光柵位移傳感器b25、光開(kāi)關(guān)8、光纖光柵解 調(diào)儀9、下位機(jī)10、GPRS通訊模塊all、GPRS通訊模塊bl2、上位機(jī)13，由于光開(kāi)關(guān)8、光纖光 柵解調(diào)儀9、下位機(jī)10、GPRS通訊模塊all、GPRS通訊模塊bl2、上位機(jī)13是共用，此處只說(shuō) 明管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置中的光纖光柵位移傳感器b25 ；光纖光柵位移傳感器b25的構(gòu)成如圖5所示；在管道c26底部安裝光纖光柵位移 傳感器b25，光纖光柵位移傳感器b25與管道c26通過(guò)卡件連接，光纖光柵位移傳感器b25 可以與應(yīng)變傳感器串聯(lián)，也可單獨(dú)通過(guò)光纖跳線27引致光纖接線盒c28，通過(guò)光纖接線盒 c28與光纜連接；其中光纖光柵位移傳感器b25 (見(jiàn)圖4)由安裝塊21、測(cè)力桿22、光纖光柵23、承重盤24組成；安裝塊21由測(cè)力桿22與承重盤24連接成“工”字形，光纖光柵23固定在測(cè)力 桿22上；承重盤24用于承受下塌土體重力，光纖光柵23測(cè)量測(cè)力桿22發(fā)生的應(yīng)變，通過(guò) 對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為位移；安裝塊21便于傳感器穩(wěn)固的安裝于管道上；其中測(cè)力桿22與承重 盤24、測(cè)力桿22與安裝塊21螺紋連接，安裝塊21與管道通過(guò)卡件連接；管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量機(jī)理如圖6所示，可以通過(guò)應(yīng)變?chǔ)?ρ 了解管土相對(duì) 位移的情況；當(dāng)測(cè)量應(yīng)變?chǔ)?ρ達(dá)到閾值并保持恒定時(shí)，表明管體已經(jīng)處于懸空狀態(tài)；所述采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置同樣也包括光纖光柵傳感網(wǎng)b32、光開(kāi)關(guān)8、光 纖光柵解調(diào)儀9、下位機(jī)10、GPRS通訊模塊all、GPRS通訊模塊bl2、上位機(jī)13，由于光開(kāi)關(guān) 8、光纖光柵解調(diào)儀9、下位機(jī)10、GPRS通訊模塊all、GPRS通訊模塊bl2、上位機(jī)13是共用， 僅就光纖光柵傳感網(wǎng)b32予以說(shuō)明；光纖光柵傳感網(wǎng)b32的構(gòu)成如圖8所示；當(dāng)管體已敷設(shè)至管溝設(shè)計(jì)位置，且覆土回 填至管頂后，以管道d31軸線為中心在兩側(cè)各5m范圍(管廊帶)內(nèi)整平的表面鋪設(shè)光纖光 柵傳感網(wǎng)b32，長(zhǎng)度由采空塌陷區(qū)的范圍而定；其中光纖光柵傳感網(wǎng)b32由無(wú)紡?fù)凉げ?9、光纖光柵鋼筋傳感器30組成。光纖光 柵鋼筋傳感器30交織成“#，，字形固定在上下兩層無(wú)紡?fù)凉げ?9中間；每個(gè)光纖光柵鋼筋 傳感器單獨(dú)為1路，每路的光纖光柵數(shù)量需根據(jù)采空塌陷的實(shí)際情況而定，通過(guò)光纖接線 盒c33與光纜c34連接，并最終引至監(jiān)測(cè)站。管體應(yīng)變、管土相對(duì)位移、塌陷區(qū)水平變形的三類光纖光柵傳感器的輸出信號(hào)經(jīng) 光開(kāi)關(guān)逐一導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀9，光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)出各光纖光柵傳感器的 中心波長(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)10，光開(kāi)關(guān)8導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)10控制。下位機(jī)10 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給GPRS傳輸模塊all，GPRS傳輸模塊all將下位 機(jī)10計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過(guò)公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機(jī)13，上位機(jī)通過(guò) 自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站設(shè)置在采空塌陷區(qū)附近的閥室，包括如下幾部分(1)監(jiān)測(cè)站與各傳感器的光纖接線盒和連接光纜，用于將采空塌陷區(qū)上各個(gè)位置 的傳感器信號(hào)集中傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站；(2)光開(kāi)關(guān)8，由于監(jiān)測(cè)采空塌陷和管道的傳感器很多，信號(hào)通道眾多，無(wú)法一次 連接到光纖光柵解調(diào)儀9上，用光開(kāi)關(guān)8將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀9分析；(3)光纖光柵解調(diào)儀9，用于解調(diào)出各傳感器的中心波長(zhǎng)位移量；(4)計(jì)算機(jī)及程序，用于控制解調(diào)儀解調(diào)的頻率，并將解調(diào)儀解調(diào)出的中心波長(zhǎng)位 移量自動(dòng)計(jì)算為各監(jiān)測(cè)量，將這些監(jiān)測(cè)量發(fā)送給GPRS通訊模塊，并接收GPRS通訊模塊的信 號(hào)進(jìn)行控制；(5)GPRS通訊模塊，用于將計(jì)算機(jī)計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥?辦公室的服務(wù)器，也可接受接服務(wù)器的信號(hào)，發(fā)送給計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)的工作原理為當(dāng)采空塌陷區(qū)1變形時(shí)，管道a2的應(yīng)變因承受土體的下塌 作用而發(fā)生變化，通過(guò)管體上的應(yīng)變傳感器a3測(cè)量；同時(shí)，隨著采空塌陷的不斷進(jìn)行，管道 和其下方土體之間的位移也發(fā)生變化，通過(guò)位移傳感器a4測(cè)量；同時(shí)通過(guò)水平變形監(jiān)測(cè)裝 置a5監(jiān)測(cè)采空塌陷區(qū)水平變形。通過(guò)連接光纜a7，將采空塌陷區(qū)各個(gè)位置的傳感器信號(hào)集 中傳輸?shù)焦忾_(kāi)關(guān)8，光開(kāi)關(guān)8將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀9，光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)出各傳感器波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)位移量并傳感給現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)10，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)10將解調(diào)儀解 調(diào)出的中心波長(zhǎng)位移量自動(dòng)計(jì)算為各監(jiān)測(cè)量，并將監(jiān)測(cè)量發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)GPRS通訊模塊all， GPRS通訊模塊all通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)，用GPRS通訊模塊bl2傳送給上位機(jī)13，上 位機(jī)13將各監(jiān)測(cè)量與報(bào)警閾值對(duì)比，必要的時(shí)候給出報(bào)警。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在(1)用多指標(biāo)進(jìn)行采空塌陷區(qū)影響下油氣管道的安全預(yù)警；(2)將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于采空塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)抗干擾、耐腐蝕、易于組 網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)明顯；該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，且成本較低；(3)管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)，在每個(gè)監(jiān)測(cè)截面均勻安裝3個(gè)傳感器(90°或120°分布)，用 最少的監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)目的，節(jié)約了成本，也減少了設(shè)備的安裝時(shí)間及對(duì)管體的損傷，為 采空塌陷區(qū)管道的防治提供了有效依據(jù)，確保了管道的安全；(4)管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)，根據(jù)管道所在采空塌陷區(qū)的特征，在每個(gè)管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)截 面的管體正下方安裝1個(gè)光纖光柵位移傳感器，用于監(jiān)測(cè)管體及其下伏土體的相對(duì)位移情 況，通過(guò)監(jiān)測(cè)值的變化來(lái)判定管土相對(duì)位移及管體是否已經(jīng)懸空以及懸空的位置，避免了 通過(guò)開(kāi)挖管溝來(lái)判明管體是否懸空，為采空塌陷區(qū)油氣管道開(kāi)展防護(hù)工程時(shí)機(jī)的選擇提供 了有效依據(jù)，減少了防護(hù)工程的盲目性并節(jié)約了管道運(yùn)行成本、同時(shí)也確保了管道的運(yùn)行 安全，減少了開(kāi)挖驗(yàn)證時(shí)的施工危險(xiǎn)；(5)采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)，采用光纖光柵傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)與管道直接接觸的上方 土體應(yīng)變，通過(guò)監(jiān)測(cè)的變形值就能計(jì)算出該區(qū)域土體的水平變形；同時(shí)根據(jù)采空塌陷的變 形特征，將對(duì)采空塌陷區(qū)的“現(xiàn)象監(jiān)測(cè)，，轉(zhuǎn)化為塌陷“本質(zhì)因素監(jiān)測(cè)”，能提前對(duì)地表變形進(jìn) 行預(yù)報(bào)，避免了對(duì)“地表未出現(xiàn)明顯變形則表示管道未受力或還處于安全狀態(tài)”的誤報(bào)，提 高了采空塌陷區(qū)管道預(yù)警的效率和準(zhǔn)確性；(6)本系統(tǒng)具有自動(dòng)、連續(xù)、及時(shí)的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確及時(shí)掌握采空塌陷區(qū)土體的穩(wěn) 定狀態(tài)、管體安全狀態(tài)及是否暗懸狀態(tài)，能對(duì)采空塌陷區(qū)的治理加固和管道安全防護(hù)時(shí)機(jī) 的科學(xué)決策提供有力依據(jù)。

圖1采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖圖2管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置圖圖3管體應(yīng)變傳感器位置示意圖圖4位移傳感器構(gòu)成圖圖5管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置圖圖6管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量機(jī)理圖圖7光纖光柵傳感網(wǎng)構(gòu)成圖圖8 土體水平變形監(jiān)測(cè)裝置圖圖9采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖圖10采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電原理圖其中1-采空塌陷區(qū)2-管道a3-光纖光柵應(yīng)變傳感器a 4-管土相對(duì)位移傳感器a[0064]5_光纖光柵傳感網(wǎng)a6-光纖接線盒a[0065]7-光纜a8_光開(kāi)關(guān)[0066]9_光纖光柵解調(diào)儀10-下位機(jī)[0067]Il-GPRS通訊模塊a12-GPRS通訊模塊b[0068]13-上位機(jī)14-管道b[0069]15-光纖光柵應(yīng)變傳感器a16-光纖光柵應(yīng)變傳感器b[0070]17-光纖光柵應(yīng)變傳感器c18-溫度補(bǔ)償傳感器[0071]19-光纖接線盒b20-光纜b[0072]21-安裝塊22-測(cè)力桿[0073]23-光纖光柵24-承重盤[0074]25-管土相對(duì)位移傳感器b26-管道c[0075]27-光纖跳線28-光纖接線盒c[0076]29-無(wú)紡?fù)凉げ?0-光纖光柵鋼筋傳感器[0077]31-管道d32-光纖光柵傳感網(wǎng)b[0078]33-光纖接線盒c34-光纜c
具體實(shí)施方式
實(shí)施例.本例是一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖1-圖10所示。在一采深采厚比為10、開(kāi) 采長(zhǎng)度15m、管道埋深3m、管道長(zhǎng)度為130m的采空塌陷區(qū)上作試驗(yàn)，管體直徑為168mm、壁厚 為6mm、鋼級(jí)L245。采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)采集發(fā)射系統(tǒng)和遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)，具體 包括管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 站、辦公室的接收終端(上位機(jī))。采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。在采空塌陷區(qū)1的油氣管 道a2的監(jiān)測(cè)截面上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器a3和管土相對(duì)位移傳感器a4，每個(gè)截面上的 傳感器熔接串聯(lián)，然后通過(guò)光纖接線盒a6與引至監(jiān)測(cè)站的光纜a7連接，在監(jiān)測(cè)站里，光纜 a7與光開(kāi)關(guān)8連接，光開(kāi)關(guān)8與光纖光柵解調(diào)儀9連接，光纖光柵解調(diào)儀9與下位機(jī)10連 接，下位機(jī)10預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通訊模塊all傳輸，GPRS通訊模塊bl2接收后傳 到上位機(jī)13 ；同時(shí)，光纖光柵傳感網(wǎng)a5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平位移，也將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)13。采空塌陷區(qū)油氣管道聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖9所示，該系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù) 采集傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)。其中包括了管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝 置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置三部分。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括光纖光柵傳感網(wǎng)、光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵位 移傳感器、光開(kāi)關(guān)、光纖光柵解調(diào)儀、下位機(jī)、GPRS通訊模塊，光纖光柵傳感網(wǎng)、光纖光柵應(yīng) 變傳感器、光纖光柵位移傳感器輸出分別接光開(kāi)關(guān)的輸入，光開(kāi)關(guān)的輸出接光纖光柵解調(diào) 儀的輸入，光纖光柵解調(diào)儀的輸出接下位機(jī)的輸入，下位機(jī)的輸出接GPRS通訊模塊。遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)包括GPRS通訊模塊、上位機(jī)、數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信 號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示；GPRS通訊模塊的輸出接上位機(jī)的輸入，上位機(jī)的輸出 分別接數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示的輸入。[0085]光纖光柵應(yīng)變傳感器a3和管土相對(duì)位移傳感器a4將管體應(yīng)變和管土相對(duì)位移 信號(hào)經(jīng)光纜a7傳到光開(kāi)關(guān)8，光開(kāi)關(guān)8后經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)傳至下位機(jī)10，下位機(jī) 10調(diào)用自編的程序，控制光開(kāi)關(guān)8和光纖光柵解調(diào)儀9，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處 理；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通訊模塊all傳輸、GPRS通訊模塊bl2接收傳到上位機(jī)13，上 位機(jī)13對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，判斷管道的受力變形狀態(tài)及管土相對(duì)位移；同時(shí)， 光纖光柵傳感網(wǎng)a5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平變形，也以同樣方式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)13，上位機(jī) 13對(duì)土體變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合管道的變形和管土相對(duì)位移的分析結(jié)果，判斷采空塌 陷區(qū)管道的安全狀態(tài)及采空區(qū)土體的塌陷情況。該系統(tǒng)的電原理如圖10所示，分別監(jiān)測(cè)管體應(yīng)變、管土相對(duì)位移、塌陷區(qū)水平變 形的三類光纖光柵傳感器一光纖光柵應(yīng)變傳感器a3、光纖光柵位移傳感器a4、光纖光柵傳 感網(wǎng)a5的PC接頭用光纜a7與光開(kāi)關(guān)8的PC接頭連接，光開(kāi)關(guān)8的R232連接下位機(jī)10 的R232接口，光開(kāi)關(guān)8的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀9SM125的PC接口，光纖光柵解調(diào)儀 9SM125的LAN端口連接下位機(jī)10的LAN端口，下位機(jī)10的輸出由VGA端接顯示器的VGA 端，下位機(jī)10的R232端口接GPRS傳輸模塊all西門子MC35i的R232端口，GPRS傳輸模 塊al 1經(jīng)天線GSM、GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS接收模塊bl2天線GSM接收后由R232接到上位機(jī)13 的R232，上位機(jī)13的輸出由VGA端接顯示器的VGA端。管體應(yīng)變、管土相對(duì)位移、塌陷區(qū)水平變形的三類光纖光柵傳感器的輸出信號(hào)經(jīng) 光開(kāi)關(guān)8逐一導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀9，光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)出各光纖光柵傳感器的 中心波長(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)10，光開(kāi)關(guān)8導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)10控制。下位機(jī)10 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給GPRS傳輸模塊all，GPRS傳輸模塊all將下位 機(jī)10計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過(guò)公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機(jī)13，上位機(jī)通過(guò) 自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。其中管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置如圖2所示，在管道bl4布置17個(gè)監(jiān)測(cè)截面，每個(gè)監(jiān)測(cè)截面間 隔90度方向均勻布置3個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器al5、光纖光柵應(yīng)變傳感器bl6、光纖光柵應(yīng) 變傳感器cl7和一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器18，4個(gè)傳感器通過(guò)熔接串聯(lián)，然后通過(guò)光纖接線盒 bl9與光纜b20連接，光纜b20接至監(jiān)測(cè)站里的光開(kāi)關(guān)8，光開(kāi)關(guān)8與光纖光柵解調(diào)儀9連 接，解調(diào)儀9與下位機(jī)10連接，下位機(jī)10預(yù)處理后的數(shù)據(jù)輸出接GPRS通訊模塊all傳輸， GPRS通訊模塊bl2接收后接到上位機(jī)13 ；監(jiān)測(cè)站的下位機(jī)10調(diào)用自編的程序，控制光纖光 柵解調(diào)儀9，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集。上述監(jiān)測(cè)裝置中光纖光柵應(yīng)變傳感器BGK-FBG_4150 ；光開(kāi)關(guān)選用光隆SUM-FSW ；光纖光柵解調(diào)儀選用SM125 ；管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置如圖5所示；在管道c26底部安裝光纖光柵位移傳感器 b25，光纖光柵位移傳感器b25與管道c26通過(guò)卡件連接，光纖光柵位移傳感器b25可以與 應(yīng)變傳感器串聯(lián)，也可單獨(dú)通過(guò)光纖跳線27引致光纖接線盒b28，通過(guò)光纖接線盒b28與光 纜連接；光纜將信號(hào)引至監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站下位機(jī)10調(diào)用自編的程序，控制光纖光柵解調(diào)儀 9，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集；[0095]其中光纖光柵位移傳感器b25，由安裝塊21、測(cè)力桿22、光纖光柵23、承重盤24組 成，如圖6。安裝塊21由測(cè)力桿22與承重盤24連接成“工”字形，光纖光柵23固定在測(cè)力 桿22上；承重盤24用于承受下塌土體重力，光纖光柵23測(cè)量測(cè)力桿22發(fā)生的應(yīng)變，通過(guò) 對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為位移；安裝塊21便于傳感器穩(wěn)固的安裝于管道上；其中測(cè)力桿22與承重 盤24、測(cè)力桿22與安裝塊21螺紋連接，安裝塊21與管道通過(guò)卡件連接；其中光纖光柵位移傳感器選用自行設(shè)計(jì)封裝的光纖光柵傳感器；光開(kāi)關(guān)8選用光隆SUM-FSW ；光纖光柵解調(diào)儀9選用SM125 ；采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)裝置如圖8所示，以管道d31軸線為中心在兩側(cè)各 5m范圍(管廊帶)內(nèi)整平的表面鋪設(shè)光纖光柵傳感網(wǎng)；光纖光柵傳感網(wǎng)由無(wú)紡?fù)凉げ?9、 光纖光柵鋼筋傳感器30組成；光纖光柵鋼筋傳感器30交織成“#”字形固定在上下兩層無(wú) 紡?fù)凉げ?9中間。每個(gè)光纖光柵鋼筋傳感器單獨(dú)為1路，沿管道d31軸向布置7路、中部 5路之間間距為2m、兩側(cè)各一路與其相鄰的路間距為lm，每路設(shè)置6個(gè)光柵、間距為4m ；沿 垂直管道d31軸向方向以塌陷區(qū)中心為中軸線兩側(cè)各對(duì)稱布置4路、中心1路(共布置5 路)、間距為4m，每路設(shè)置7個(gè)光柵、間距為1. 67m ；通過(guò)光纖接線盒c33與光纜c34連接， 并最終引至監(jiān)測(cè)站；其中光纖光柵鋼筋傳感器30 選用自行設(shè)計(jì)封裝的光纖光柵傳感器；無(wú)紡?fù)凉げ?9選用SMG100 ；光開(kāi)關(guān)8選用光隆SUM-FSW ；光纖光柵解調(diào)儀9選用SM125。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站設(shè)置在采空塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，如圖1所示，包括光纖接線盒a6，連接光 纜a7、光開(kāi)關(guān)8、光纖光柵解調(diào)儀9、下位機(jī)10、GPRS傳輸模塊all ；各光纖光柵傳感器采集 的信號(hào)通過(guò)光纜a7接到監(jiān)測(cè)站的光開(kāi)關(guān)8，光開(kāi)關(guān)8輸出接光纖光柵解調(diào)儀9，光纖光柵解 調(diào)儀9輸出接下位機(jī)10，下位機(jī)10輸出接GPRS傳輸模塊all。各光纖光柵傳感器采集的信號(hào)通過(guò)光纜a7接到監(jiān)測(cè)站的光開(kāi)關(guān)8，光開(kāi)關(guān)8將各 通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀9，光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中 心波長(zhǎng)位移量給下位機(jī)10，下位機(jī)10自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測(cè)量輸給GPRS傳輸模塊all并接受 GPRS傳輸模塊all的信號(hào)進(jìn)行控制，GPRS傳輸模塊all將下位機(jī)10計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過(guò) 公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端上位機(jī)13進(jìn)行進(jìn)一步分析與處理；同時(shí) 下位機(jī)10也可通過(guò)GPRS傳輸模塊bl2接受接收上位機(jī)13的信號(hào)。其中光開(kāi)關(guān)8 選用光隆科技SUM-FSW ；光纖光柵解調(diào)儀9 選用SM125 ；下位機(jī)10及程序選用研華IPC-610，程序自編；上位機(jī)13及程序選用研華IPC-610，程序自編；GPRS傳輸模塊all 西門子MC35i位于辦公室的接收終端包括如下2個(gè)部分
12[0115](1) GPRS接收模塊bl2，用于接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站GPRS傳輸模塊al 1發(fā)送的監(jiān)測(cè)量，并 傳輸給上位機(jī)13，也可給現(xiàn)場(chǎng)GPRS傳輸模塊all發(fā)送反饋指令；(2)上位機(jī)13及程序，用于下載終端GPRS接收模塊bl2的信號(hào)，并調(diào)用程序進(jìn)行 自動(dòng)分析，將分析結(jié)果與報(bào)警閾值進(jìn)行對(duì)比，必要的時(shí)候?qū)嵤﹫?bào)警。該系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)采空塌陷區(qū)1 土體下塌時(shí)，埋于土體下方的管道a2受到 上方土體荷載的作用而發(fā)生彎曲應(yīng)變，管體光纖光柵應(yīng)變傳感器a3感受到拉應(yīng)變，通過(guò)計(jì) 算可得出管體的最大應(yīng)變和所在位置，即管道a2的軸向應(yīng)變；由于管道a2下方土體不斷塌 陷，埋于采空塌陷區(qū)1的管土相對(duì)位移傳感器a4在承受土壓力的過(guò)程中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，管 土相對(duì)位移傳感器a4上的光纖光柵23感受到拉應(yīng)變，通過(guò)計(jì)算可得出管土相對(duì)位移以及 應(yīng)變，即判定管道a2是否懸空以及懸空的位置；采空塌陷區(qū)1 土體自下向上活動(dòng)的過(guò)程中， 在管道a2與其上方覆土的接觸面上，土體的水平應(yīng)變通過(guò)光纖光柵傳感網(wǎng)a5測(cè)量，通過(guò)計(jì) 算可得出土體最大水平變形。通過(guò)連接光纜a7，將監(jiān)測(cè)區(qū)各個(gè)位置的傳感器信號(hào)集中傳輸?shù)焦忾_(kāi)關(guān)8，光開(kāi)關(guān)8 將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀9，光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)出各傳感器波長(zhǎng)中心 波長(zhǎng)位移量并傳感給下位機(jī)10，下位機(jī)10將解調(diào)儀解調(diào)出的中心波長(zhǎng)位移量自動(dòng)計(jì)算為 各監(jiān)測(cè)量，如管道a2的最大應(yīng)變、管土相對(duì)位移及應(yīng)變，土體水平變形等，并將監(jiān)測(cè)量發(fā)送 給現(xiàn)場(chǎng)GPRS傳輸模塊all，GPRS傳輸模塊all通過(guò)公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸給終端 GPRS接收模塊al2，終端GPRS接收模塊bl2發(fā)送給終端上位機(jī)13，上位機(jī)13將各監(jiān)測(cè)量與 報(bào)警閾值對(duì)比，必要的時(shí)候給出報(bào)警。其中GPRS接收模塊al2 選用西門子MC35i ；下位機(jī)10及程序選用研華IPC-610，程序自編；上位機(jī)13及程序選用研華IPC-610 ；程序自編。用上述系統(tǒng)在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，由采空塌陷區(qū)1的油氣管道a2的監(jiān)測(cè)截面上安裝光纖 光柵應(yīng)變傳感器a3和光纖光柵傳感網(wǎng)a5進(jìn)行土體變形的監(jiān)測(cè)，由管土相對(duì)位移傳感器a4 進(jìn)行管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)；采集到的信號(hào)經(jīng)光開(kāi)關(guān)8、光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)后由下位機(jī)10作預(yù)處理；下位機(jī)10預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通訊模塊all傳輸、GPRS通訊模塊al2接收 到上位機(jī)13 ；上位機(jī)13判斷數(shù)據(jù)是否完整，不完整時(shí)再返回下位機(jī)10預(yù)處理；完整則傳到 上位機(jī)13 ；上位機(jī)13對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步分析與處理；由上位機(jī)13輸出采空塌陷土體水平變形變化動(dòng)態(tài)顯示、管體軸向應(yīng)變變化動(dòng)態(tài) 顯示、管土相對(duì)位移變化動(dòng)態(tài)顯示；并判斷數(shù)據(jù)是否超出閾值；管體軸向應(yīng)變的報(bào)警閾值為管體的極限應(yīng)變值的70%，管土相對(duì)位移的報(bào)警條件 為監(jiān)測(cè)值超過(guò)預(yù)設(shè)值并保持恒定，土體水平變形的報(bào)警條件為監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)突變；當(dāng)三個(gè)參數(shù)值都小于各自閾值時(shí)則表明管道處于安全狀態(tài)；當(dāng)管體軸向應(yīng)變達(dá)到管體的極限應(yīng)變值的70%、或者管土相對(duì)位移值達(dá)到閾值并 保持恒定時(shí)、或者土體水平變形曲線出現(xiàn)突變時(shí)進(jìn)行管道安全的聯(lián)合預(yù)警。若采空塌陷區(qū)1的土體下塌，埋于土體下方的管道a2受到上方土體荷載的作用而發(fā)生彎曲應(yīng)變，管體光纖光柵應(yīng)變傳感器a3感受到拉應(yīng)變，通過(guò)計(jì)算可得出管體的最大應(yīng) 變和所在位置，即管道a2的軸向應(yīng)變；由于管道a2下方土體不斷塌陷，埋于采空塌陷區(qū)1 的管土相對(duì)位移傳感器a4在承受土壓力的過(guò)程中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，管土相對(duì)位移傳感器a4 上的光纖光柵23感受到拉應(yīng)變，通過(guò)計(jì)算可得出管土相對(duì)位移以及應(yīng)變，即判定管道a2是 否懸空以及懸空的位置；采空塌陷區(qū)1 土體自下向上活動(dòng)的過(guò)程中，在管道a2與其上方覆 土的接觸面上，土體的水平應(yīng)變通過(guò)光纖光柵傳感網(wǎng)a5測(cè)量，通過(guò)計(jì)算可得出土體最大水 平變形。由此，就可完整地測(cè)量出管道a2上所受到的各種應(yīng)變量，并可計(jì)算出應(yīng)力值。 經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，本例易于實(shí)現(xiàn)采空塌陷區(qū)1和管道a2聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng) 采集分析及遠(yuǎn)程發(fā)布，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。避免了繁瑣的人工采集數(shù)據(jù)，提高了預(yù)警的精 度，減少了報(bào)警時(shí)間，同時(shí)還能對(duì)報(bào)警地點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這對(duì)管道應(yīng)急措施的采取至關(guān)重 要。
權(quán)利要求1.一種采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于它包括管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土 相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置三部分；在采空塌陷區(qū)(1)的油氣管道 a (2)的監(jiān)測(cè)截面上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器a (3)和管土相對(duì)位移傳感器a (4)，每個(gè)截面 上的傳感器熔接串聯(lián)，然后通過(guò)光纖接線盒a(6)與引至監(jiān)測(cè)站的光纜a(7)連接，在監(jiān)測(cè)站 里，光纜a (7)與光開(kāi)關(guān)(8)連接，光開(kāi)關(guān)(8)與光纖光柵解調(diào)儀(9)連接，光纖光柵解調(diào)儀 (9)與下位機(jī)(10)連接，下位機(jī)(10)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通訊模塊a (11)傳輸，GPRS 通訊模塊b(12)接收后傳到上位機(jī)(13)；同時(shí)，光纖光柵傳感網(wǎng)a(5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平位 移，也將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)(13)；管體應(yīng)變、管土相對(duì)位移、塌陷區(qū)水平變形的三類光纖光柵傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)光開(kāi) 關(guān)逐一導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀(9)，光纖光柵解調(diào)儀(9)解調(diào)出各光纖光柵傳感器的 中心波長(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)(10)，光開(kāi)關(guān)(8)導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)(10)控制。下 位機(jī)(10)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給GPRS傳輸模塊a(ll)，GPRS傳輸模塊 a(ll)將下位機(jī)(10)計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過(guò)公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機(jī) (13)，上位機(jī)通過(guò)自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng) 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)；其中包括了管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土相對(duì)位移監(jiān) 測(cè)裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置三部分；現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括光纖光柵傳感網(wǎng)、光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵位移傳 感器、光開(kāi)關(guān)、光纖光柵解調(diào)儀、下位機(jī)、GPRS通訊模塊，光纖光柵傳感網(wǎng)、光纖光柵應(yīng)變傳 感器、光纖光柵位移傳感器輸出分別接光開(kāi)關(guān)的輸入，光開(kāi)關(guān)的輸出接光纖光柵解調(diào)儀的 輸入，光纖光柵解調(diào)儀的輸出接下位機(jī)的輸入，下位機(jī)的輸出接GPRS通訊模塊；遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)包括GPRS通訊模塊、上位機(jī)、數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分 析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示；GPRS通訊模塊的輸出接上位機(jī)的輸入，上位機(jī)的輸出分別 接數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示的輸入；光纖光柵應(yīng)變傳感器a (3)和管土相對(duì)位移傳感器a (4)將管體應(yīng)變和管土相對(duì)位移信 號(hào)經(jīng)光纜a (7)傳到光開(kāi)關(guān)(8)，光開(kāi)關(guān)(8)后光纖光柵經(jīng)解調(diào)儀(9)解調(diào)傳至下位機(jī)(10)， 下位機(jī)(10)調(diào)用自編的程序，控制光開(kāi)關(guān)(8)和光纖光柵解調(diào)儀(9)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通訊模塊a(ll)傳輸、GPRS通訊模塊b (12) 接收傳到上位機(jī)(13)，上位機(jī)(13)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，判斷管道的受力變形狀 態(tài)及管土相對(duì)位移；同時(shí)，光纖光柵傳感網(wǎng)a(5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平變形，也以同樣方式將 數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)(13)，上位機(jī)(13)對(duì)地表位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合管道的變形和管土 相對(duì)位移的分析結(jié)果，判斷采空塌陷區(qū)管道的安全狀態(tài)及采空區(qū)土體的塌陷情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的電 原理是分別監(jiān)測(cè)管體應(yīng)變、管土相對(duì)位移、塌陷區(qū)水平變形的三類光纖光柵傳感器一光 纖光柵應(yīng)變傳感器a(3)、光纖光柵位移傳感器a(4)、光纖光柵傳感網(wǎng)a(5)的PC接頭用光 纜a(7)與光開(kāi)關(guān)⑶的PC接頭連接，光開(kāi)關(guān)⑶的R232連接下位機(jī)(10)的R232接口， 光開(kāi)關(guān)(8)的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀(9)SM125的PC接口，光纖光柵解調(diào)儀(9)SM125 的LAN端口連接下位機(jī)(10)的LAN端口，下位機(jī)(10)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端， 下位機(jī)(10)的R232端口接GPRS傳輸模塊a(11)西門子MC35i的R232端口，GPRS傳輸模塊a(ll)經(jīng)天線GSM、GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS接收模塊b(12)天線GSM接收后由R232接到上位 機(jī)(13)的R232，上位機(jī)(13)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端；管體應(yīng)變、管土相對(duì)位移、塌陷區(qū)水平變形的三類光纖光柵傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)光開(kāi) 關(guān)(8)逐一導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀(9)，光纖光柵解調(diào)儀(9)解調(diào)出各光纖光柵傳感 器的中心波長(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)(10)，光開(kāi)關(guān)(8)導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)(10)控制； 下位機(jī)(10)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給GPRS傳輸模塊a(ll)，GPRS傳輸模 塊a(ll)將下位機(jī)(10)計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過(guò)公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位 機(jī)(13)，上位機(jī)通過(guò)自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述管體應(yīng) 變監(jiān)測(cè)裝置是在管道b(14)的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面間隔90°方向均勻布置3個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感 器a (15)、光纖光柵應(yīng)變傳感器b (16)、光纖光柵應(yīng)變傳感器c (17)和一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器 (18)，4個(gè)傳感器通過(guò)熔接串聯(lián)，然后通過(guò)光纖接線盒a(19)與光纜b(20)連接，光纜b(20) 將信號(hào)引致監(jiān)測(cè)站。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述管土相 對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置中光纖光柵位移傳感器b (25)的構(gòu)成是在管道c (26)底部安裝光纖光柵 位移傳感器b (25)，光纖光柵位移傳感器b (25)與管道c (26)通過(guò)卡件連接，光纖光柵位移 傳感器b(25)可以與應(yīng)變傳感器串聯(lián)，也可單獨(dú)通過(guò)光纖跳線(27)引致光纖接線盒c(28)， 通過(guò)光纖接線盒c (28)與光纜連接；所述光纖光柵位移傳感器b (25)由安裝塊(21)、測(cè)力桿(22)、光纖光柵(23)、承重盤 (24)組成；安裝塊(21)由測(cè)力桿(22)與承重盤(24)連接成“工”字形，光纖光柵(23)固 定在測(cè)力桿(22)上；承重盤(24)用于承受下塌土體重力，光纖光柵(23)測(cè)量測(cè)力桿(22) 發(fā)生的應(yīng)變，通過(guò)對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為位移；安裝塊(21)便于傳感器穩(wěn)固的安裝于管道上；其 中測(cè)力桿(22)與承重盤(24)、測(cè)力桿(22)與安裝塊(21)螺紋連接，安裝塊(21)與管道通 過(guò)卡件連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述采空 塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置中光纖光柵傳感網(wǎng)b (32)的構(gòu)成是當(dāng)管體已敷設(shè)至管溝設(shè)計(jì)位 置，且覆土回填至管頂后，以管道d(31)軸線為中心在兩側(cè)各5m管廊帶范圍內(nèi)整平的表面 鋪設(shè)光纖光柵傳感網(wǎng)b (32)；所述光纖光柵傳感網(wǎng)b (32)由無(wú)紡?fù)凉げ?29)、光纖光柵鋼筋傳感器(30)組成；光纖 光柵鋼筋傳感器(30)交織成“#”字形固定在上下兩層無(wú)紡?fù)凉げ?29)中間；每個(gè)光纖光 柵鋼筋傳感器單獨(dú)為1路，每路的光纖光柵數(shù)量需根據(jù)采空塌陷的實(shí)際情況而定，通過(guò)光 纖接線盒c (33)與光纜c (34)連接，并最終引至監(jiān)測(cè)站。
專利摘要本實(shí)用新型是一種基于光纖光柵傳感的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它包括管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置三部分；在采空塌陷區(qū)1的油氣管道a(2)的監(jiān)測(cè)截面上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器a(3)和管土相對(duì)位移傳感器a(4)，每個(gè)截面上的傳感器熔接串聯(lián)，經(jīng)光纖接線盒a(6)與光纜a(7)連接，光纜a(7)與光開(kāi)關(guān)(8)連接，光開(kāi)關(guān)(8)與光纖光柵解調(diào)儀(9)連接，解調(diào)儀(9)與下位機(jī)(10)連接，下位機(jī)(10)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線通訊模塊a(11)傳輸，無(wú)線通訊模塊b(12)接收后傳到上位機(jī)(13)；光纖光柵傳感網(wǎng)a(5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平位移，也將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)(13)。
文檔編號(hào)G01B11/16GK201779455SQ201020280740
公開(kāi)日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者劉建平, 吳張中, 林明春, 荊宏遠(yuǎn), 蔡永軍, 譚東杰, 郝建斌, 韓冰, 馬云賓 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司