專利名稱：布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的巖土體深部位移的檢測裝置，特別是一種布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，主要適用于水利水電及地質(zhì)工程安全監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在邊坡、地下洞室開挖和大型基礎(chǔ)工程施工過程中，對巖土體深部位移的監(jiān)測，一般采用基巖位移計、多點位移計等傳感器，傳感單元安裝于孔口位置，連接不同長度的傳遞桿，測量不同深度錨固端相對孔口的位移量，并通過假定的深部不動點，換算各測點及孔口的變形。采用的傳感器按傳感方式分，常見的有差動電阻式、鋼弦式、光柵式等。目前的測試儀器和方法，在使用中存在四個方面的問題一是受傳感器數(shù)量的限制，通常最多只能測量4飛個點位置的位移，不足以判斷實際變形發(fā)生的準確位置；二是需要數(shù)米甚至數(shù)十米長的傳遞桿來將深部的軸向變形量傳至孔口，傳遞桿自身的熱脹冷縮、扭曲、壓桿穩(wěn)定等問題，都可能導(dǎo)致測值失真；三是相對位移到絕對位移的換算中，需以最深部點的測值為基準，一旦該測點失效，則其它測點均無法進行計算；四是安裝的測點較多時，傳感桿也越多，則要求的鉆孔孔徑也越大，施工難度、成本均增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述存在的問題提供一種布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，以簡化整體結(jié)構(gòu)、降低施工難度和成本，準確判斷實際變形發(fā)生位置。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于它包括通過灌漿固結(jié)于鉆孔內(nèi)的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計、通過傳輸光纜與該位移計連接的布里淵解調(diào)儀，以及通過信號線與該解調(diào)儀連接的數(shù)據(jù)分析計算機。所述位移計與布里淵解調(diào)儀之間設(shè)有用于切換測量線路的光開關(guān)，該光開關(guān)通過信號線與數(shù)據(jù)分析計算機連接。所述位移計包括PVC管架、布置于該管架上的應(yīng)變傳感光纖和溫度傳感光纖、分別位于該管架兩端的回路盒和連接盒，所述應(yīng)變傳感光纖一端通過位于回路盒內(nèi)的光纖熔接盤線與溫度傳感光纖一端連接，另一端通過位于連接盒內(nèi)的光纖熔接盤線與溫度傳感光纖另一端連接，形成一閉合回路，位于連接盒內(nèi)的光纖熔接盤線連接有一根伸至外部的傳輸光纜。所述應(yīng)變傳感光纖包括相互間隔布置的一組纖芯和一組凱夫拉纖維，以及布置于纖芯和凱夫拉纖維外的護套，該護套外同軸布置一組間隔均勻的環(huán)肋。所述護套的橫截面為四個半徑均為1_的半圓依次首尾相接形成的花瓣狀。所述纖芯為G. 625B型單模光纖，共四根，分別位于四個半圓的圓心處；所述環(huán)肋橫截面形狀與護套相同，且其寬度和高度均為0. 5mm。
所述PVC管架包括中空管，以及每隔Im同軸布置于該中空管外的外套環(huán)，所述中空管和外套環(huán)之間設(shè)置支撐板。所述中空管外徑為20mm ;外套環(huán)外徑為50mm、寬0. 2m。所述連接盒外設(shè)有鋼制保護罩。所述溫度傳感光纖采用普通的鎧裝松套通信光纜，纖芯數(shù)量為2 4芯；傳輸光纜采用8 16芯通信光纜；布里淵解調(diào)儀采用BOTDR或BOTDA類型的儀器。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用基于布里淵分布式光纖傳感的連續(xù)多點位移計，以光時域或頻域分析為基礎(chǔ)，通過對光纖中的背向散射光進行解調(diào)，從而獲取光纖沿線連續(xù)的溫度和應(yīng)變分布信息，對測孔中光纖沿線各位置的軸向應(yīng)變量進行監(jiān)測，測點間距最小至5 10cm，通過積分計算，可以得到各區(qū)段的相對變形量，并以深部不動點為基礎(chǔ)計算絕對位移量，較之現(xiàn)有技術(shù)，不僅能夠更加真實準確的判斷出實際變形發(fā)生的位置，而且施工難度更小、成本更低；此外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)先進、新穎，鉆孔孔徑小，安裝簡便，測值信息量大、可信度高，性能優(yōu)于現(xiàn)有的傳感器。應(yīng)變傳感光纖采用四圓弧的斷面結(jié)構(gòu)，并配有凱夫拉纖維，增強了光纖防扭、抗折的能力，確保敷設(shè)施工和灌漿過程中不易受損壞。應(yīng)變傳感光纖纖芯緊包，外層設(shè)置了環(huán)肋，能增強光纖和外部砂漿柱體的接合面積，提高摩阻力，促進光纖與被測體同步變形。采用這種應(yīng)變傳感光纖和專門設(shè)計的PVC管架制作的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計，是一種全分布式的原位變形測量裝置，相比傳統(tǒng)的多點位移計在測點數(shù)量、準確性、可靠性方面都有較大的優(yōu)勢，中空管可做灌漿管或排氣管，將傳感器的安裝和灌漿裝置合為一體，施工也較簡便。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明中布里淵光傳感連續(xù)多點位移計的結(jié)構(gòu)圖。圖3是圖2的A-A向剖面圖。圖4是圖2的B-B向剖面圖。圖5是圖2的C-C向剖面圖。圖6是圖2的D-D向剖面圖。圖7是圖2的E-E向剖面圖。圖8是本發(fā)明中應(yīng)變傳感光纖的結(jié)構(gòu)圖。圖9是圖8的A-A向剖面圖。圖10是圖8的B-B向剖面圖。圖11是本發(fā)明應(yīng)變和位移分布監(jiān)測成果圖。
具體實施例方式如圖1所示，本實施例包括布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計21、通過傳輸光纜與該位移計依次連接的光開關(guān)22和布里淵解調(diào)儀23，以及通過信號線與該解調(diào)儀連接的數(shù)據(jù)分析計算機24 ;其中布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計21安裝于鉆孔內(nèi)，并通過灌漿進行封閉固結(jié)；光開關(guān)22用于切換測量線路；數(shù)據(jù)分析計算機24通過信號線與光開關(guān)22連接。其工作原理是布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計21檢測到的光信號通過傳輸光纜經(jīng)由光開關(guān)22引至布里淵解調(diào)儀23，測量結(jié)果實時上傳至數(shù)據(jù)分析計算機24進行分析計算，同時數(shù)據(jù)分析計算機24可根據(jù)實際情況下達相關(guān)控制指令給布里淵解調(diào)儀23和光開關(guān)22。根據(jù)工程實際情況，布里淵解調(diào)儀23可采用BOTDR或BOTDA類型儀器。如圖2-圖7所示，所述布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計包括PVC管架11、布置于該管架上的應(yīng)變傳感光纖12和溫度傳感光纖13、分別位于該管架兩端的回路盒14和連接盒15,以及一根傳輸光纜19 ;所述應(yīng)變傳感光纖12結(jié)構(gòu)如下所述；溫度傳感光纖13米用普通的鎧裝松套通信光纜，纖芯數(shù)量為2 4芯；回路盒14外徑38_、高0. 3m，用于收納光纖熔接盤線18 ;連接盒15外徑250mm、高0. 2cm，用于保護傳感光纖和傳輸光纜19的連接部位，同時收納光纖熔接盤線18 ;傳輸光纜19采用8 16芯通信光纜。所述應(yīng)變傳感光纖12 —端通過位于回路盒14內(nèi)的光纖熔接盤線18與溫度傳感光纖13 —端連接，另一端通過位于連接盒15內(nèi)的光纖熔接盤線18與溫度傳感光纖13另一端連接，形成一閉合回路；位于連接盒15內(nèi)的光纖熔接盤線18與傳輸光纜19連接，以便將檢測到的信息傳輸至外部進行分析計算。實際應(yīng)用中，設(shè)有回路盒14的一端位于孔底，設(shè)有連接盒15的一端位于孔口處。所述PVC管架11包括中空管11-1，以及每隔Im同軸布置于該中空管外的外套環(huán)11-2，所述中空管11-1和外套環(huán)11-2之間設(shè)置支撐板11-3。所述中空管11-1外徑20mm，由孔口延伸至距離孔底約0. 8m處，分段進行安裝；外套環(huán)11-2外徑50mm、寬0. 2m。所述連接盒15外設(shè)有鋼制保護罩16，保護并引出傳輸光纜19。如圖8_圖10所不，本實施例應(yīng)變傳感光纖包括四根纖芯1(G. 625B型單模光纖)、四根凱夫拉纖維3(美國杜邦公司于上世紀60年代中期研制出的一種合成纖維，全稱為“聚對苯二甲酰對苯二胺纖維”)、布置于纖芯I和凱夫拉纖維3外的護套2，以及一組同軸布置于護套2表面、用于增大摩阻力的環(huán)肋4 ;本例中，護套2的橫截面為四個半徑均為Imm的半圓依次首尾相接形成的花瓣狀，相鄰兩半圓的圓心間距約為1. 4mm ;四根纖芯I分別位于四個半圓的圓心處，四根凱夫拉纖維3分別位于相鄰兩纖芯I之間的空隙處，用于增大光纖的抗拉強度；相鄰兩環(huán)肋4之間的間距相等，均為9. 5mm，環(huán)肋4的寬度和高度均為0. 5mm,即應(yīng)變傳感光纖帶肋和不帶肋部位的斷面邊長分別為4. 4mm和3. 4_。實際使用中，首先需要進行測量裝置的安裝，其具體步驟如下a、采用地質(zhì)鉆機在待測量的部位鉆孔，孔底應(yīng)達到理論分析或經(jīng)驗估計的不動點，建議孔徑6(T75mm，采用其它孔徑時，PVC管架11的斷面尺寸可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。b、清洗鉆孔，檢查全孔的孔徑均滿足設(shè)計要求。C、使用OTDR儀器(光時域反射儀，下同)檢查傳感光纖(包括應(yīng)變傳感光纖和溫度傳感光纖，下同)和傳輸光纜19的完好性。d、在PVC管架11的最前端安裝回路盒14，將應(yīng)變傳感光纖12和溫度傳感光纖13的纖芯末端通過光纖熔接盤線18兩兩熔接，形成回路，熔接后進行光損耗檢查；其中位于前端的光纖熔接盤線18位于回路盒14內(nèi)。e、根據(jù)現(xiàn)場條件，按f 2m分段連接中空管11_1、組裝PVC管架11。在中部位置敷設(shè)傳感光纖，傳感光纖每隔Im左右，用熱塑或環(huán)氧樹脂以點式固定于支撐板11-3的凹槽中，傳感光纖應(yīng)輕輕拉直、無扭曲和彎折。組裝完成應(yīng)立即使用OTDR儀器檢查傳感光纖的完好性，然后方可放入鉆孔；再次進行檢查無誤后，可進行下一段的組裝。
f、PVC管架11及傳感光纖安裝完成后，再次進行光損耗的檢查，確認無誤后實施灌漿。漿液類型可為砂漿或水泥漿，配比根據(jù)現(xiàn)場情況確定。鉆孔方向向上時，由中空管11-1注漿；鉆孔方向向下時，由四周注漿、中空管11-1排氣，也可考慮先注漿4/5左右再插入所述連續(xù)位移計。g、在孔口處安裝連接盒15，盒內(nèi)傳感光纖與傳輸光纜19的芯線對接，記錄熔接芯線的編號和連接盒內(nèi)每條盤線的長度；然后在連接盒15外安裝保護罩16。h、安裝數(shù)據(jù)分析計算機24，并與布里淵解調(diào)儀23和光開關(guān)22進行連接和控制。通常使用的布里淵解調(diào)儀23有B0TDR、B0TDA等類型。光開關(guān)22兩端分別連接布里淵解調(diào)儀23和傳輸光纜19，用于擴展布里淵解調(diào)儀23的測量通道數(shù)，建議使用2XN或4XN型，N由被測連續(xù)多點位移計數(shù)量和有效芯線數(shù)量決定。安裝完成后，即可開始測量，具體步驟如下
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al、啟動布里淵解調(diào)儀23，調(diào)整相關(guān)參數(shù)進行測試，記錄并保存最優(yōu)的參數(shù)組合供日常監(jiān)測使用。bl、灌漿初凝后立即進行初次測量，一般連續(xù)測量:T5次，取其平均值作為基準值。另在靠近孔口處用熱水或冰水對一小段傳輸光纜進行升溫或降溫處理，測量并記錄溫度變化點的光纖距離，作為定位參考信息。Cl、日常監(jiān)測時，啟動數(shù)據(jù)分析計算機24，控制光開關(guān)22切換測量線路，并控制布里淵解調(diào)儀23進行測量，讀取和存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。特殊情況下，亦可人工操作布里淵解調(diào)儀23，通過或不通過光開關(guān)22直接連接傳輸光纜進行測量。dl、根據(jù)施工記錄和定位測量結(jié)果，建立光纖距離和實際孔深的對應(yīng)關(guān)系。el、從孔底至孔口，沿孔深對應(yīng)變量進行積分，計算各位置相對孔底的位移量，當孔底達到理論計算或經(jīng)驗估計的不動點時，該結(jié)果亦可認為是各位置的絕對位移量。計算公式如下
權(quán)利要求
1.一種布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于它包括通過灌漿固結(jié)于鉆孔內(nèi)的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計(21)、通過傳輸光纜與該位移計連接的布里淵解調(diào)儀(23)，以及通過信號線與該解調(diào)儀連接的數(shù)據(jù)分析計算機(24)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于所述位移計(21)與布里淵解調(diào)儀(23)之間設(shè)有用于切換測量線路的光開關(guān)(22)，該光開關(guān)通過信號線與數(shù)據(jù)分析計算機(24)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于所述位移計(21)包括PVC管架(11)、布置于該管架上的應(yīng)變傳感光纖(12)和溫度傳感光纖(13)、分別位于該管架兩端的回路盒(14)和連接盒(15)，所述應(yīng)變傳感光纖(12)—端通過位于回路盒(14)內(nèi)的光纖熔接盤線(18)與溫度傳感光纖(13) 一端連接，另一端通過位于連接盒(15)內(nèi)的光纖熔接盤線(18)與溫度傳感光纖(13)另一端連接，形成一閉合回路，位于連接盒(15)內(nèi)的光纖熔接盤線(18)連接有一根伸至外部的傳輸光纜(19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于所述應(yīng)變傳感光纖(12)包括相互間隔布置的一組纖芯(I)和一組凱夫拉纖維(3)，以及布置于纖芯(I)和凱夫拉纖維(3)外的護套(2)，該護套外同軸布置一組間隔均勻的環(huán)肋(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于所述護套(2)的橫截面為四個半徑均為Imm的半圓依次首尾相接形成的花瓣狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于所述纖芯(I)為G. 625B型單模光纖，共四根，分別位于四個半圓的圓心處；所述環(huán)肋(4)橫截面形狀與護套(2)相同，且其寬度和高度均為O. 5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于所述PVC管架(11)包括中空管(11-1)，以及每隔Im同軸布置于該中空管外的外套環(huán)(11-2)，所述中空管(11-1)和外套環(huán)(11-2)之間設(shè)置支撐板(11-3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于所述中空管(11-1)外徑為20mm ;外套環(huán)(11-2)外徑為50mm、寬O. 2m。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于所述連接盒(15)外設(shè)有鋼制保護罩(16)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于所述溫度傳感光纖(13)采用普通的鎧裝松套通信光纜，纖芯數(shù)量為2 4芯；傳輸光纜(19)采用8 16芯通信光纜；布里淵解調(diào)儀(23)采用BOTDR或BOTDA類型的儀器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置。本發(fā)明的目的是提供一種布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，以簡化整體結(jié)構(gòu)、降低施工難度和成本，準確判斷實際變形發(fā)生位置。本發(fā)明的技術(shù)方案是布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計測量裝置，其特征在于它包括通過灌漿固結(jié)于鉆孔內(nèi)的布里淵光傳感式連續(xù)多點位移計、通過傳輸光纜與該位移計連接的布里淵解調(diào)儀，以及通過信號線與該解調(diào)儀連接的數(shù)據(jù)分析計算機。本發(fā)明適用于水利水電及地質(zhì)工程安全監(jiān)測領(lǐng)域。
文檔編號G01B11/02GK103033139SQ201210562979
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者崔何亮, 王玉潔, 朱錦杰 申請人:中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院