CN110608675B - 基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法。本发明的目的是提供一种实施简单、测量精度高、可以实现在线监测的基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法。本发明的技术方案是：一种基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法，其特征在于：具有载体、倾角仪、光纤光栅串Ⅰ和光纤光栅串Ⅱ；将倾角仪安装于载体一端，作为位移0点；将光纤光栅串Ⅰ和光纤光栅串Ⅱ关于载体中心线对称的安装于载体两侧；测得光纤光栅串Ⅰ和光纤光栅串Ⅱ的中心波长λ_Bi0、λ’_Bi0，作为初始值；获取倾角仪的初始角度θ₀。本发明适用于光纤光栅传感技术和工程量测技术领域。

Description

基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法。适用于光纤光栅传感技术和工程量测技术领域。

背景技术

在大坝、隧道、井下巷道、基坑、边坡等工程开挖过程中，工程技术人员往往需要了解深部的水平位移大小和临近地面的沉降大小及其时空演化规律，用以确定支护方式及参数，以确保工程施工的安全性。

目前，国内外用于深部的多点位移测量装置主要有用于水平位移测量的测斜管和用于测试轴向变形的多点位移计，且多点应变传感器串联推算挠度，需要增加两点的位移边界测试，而深层水平位移测试往往只能测得孔口点(单独一点)的水平位移，如果光依靠位移测试，无法直接计算各点位移，然而用于呈线性分布的多点沉降测量装置仍是空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种实施简单、测量精度高、可以实现在线监测的基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法，其特征在于：具有载体、倾角仪、光纤光栅串Ⅰ和光纤光栅串Ⅱ；

将倾角仪安装于载体一端，作为位移0点；

将光纤光栅串Ⅰ和光纤光栅串Ⅱ关于载体中心线对称的安装于载体两侧；

测得光纤光栅串Ⅰ和光纤光栅串Ⅱ的中心波长λ_Bi0、λ’_Bi0，作为初始值；获取倾角仪的初始角度θ₀；

当载体随被测对象发生同步变形后，测得光纤光栅串Ⅰ和光纤光栅串Ⅱ的中心波长λ_Bi1、λ’_Bi1，作为测试值；获取变形后倾角仪的测试角度θ₁；

将测试值与初始值进行比较，根据光纤布拉格光栅传感原理和温度补偿原理，计算出各点的应变变化量Δε_zi：

式中，Pe为弹光系数；

根据各点的应变变化量，根据材料力学理论，得出各点的位移y_i为：

Δθ₀＝θ₁-θ₀；

式中，Δx_i为沿被测对象长度方向上下两测量截面的间距；R为被测对象截面上对称两应变测点之间距离的一半。

光纤光栅既能感应应变，又能传输信号，多个光纤光栅传感器串联可形成光纤光栅串用于分布式应变观测。光纤传感技术有质轻、径细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感与信息传输于一体等突出优点，可以实现对被测对象的应变测量。

本发明的有益效果是：本发明在被测对象的一端安装一个倾角仪，并设置两组成线性分布的光纤光栅串，并以中心线为轴线呈对称布置，实时量测各界面的压缩应变和拉伸应变，从而计算出被测对象的挠度，实现了对被测对象稳定性的实时监测，确保了工程的安全。

本发明利用光纤光栅传感技术结合测角仪量测多点位移，改变了传统位移测量方法需要浪费大量人力的缺点，安装方便、测量精度高、成本较低。

附图说明

图1为实施例初始状态的结构示意图。

图2为实施例的截面示意图。

图3为实施例变形后的结构示意图。

具体实施方式

本实施例为一种基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法，具有载体、倾角仪1、光纤光栅串Ⅰ3和光纤光栅串Ⅱ4，具体步骤如下：

S01、将倾角仪1安装于载体一端(见图1)，作为位移0点；

S02、将光纤光栅串Ⅰ3和光纤光栅串Ⅱ4关于载体中心线对称的安装于载体两侧(见图2)；

S03、获取初始状态下倾角仪1的初始角度θ₀；测得初始状态下光纤光栅串Ⅰ3的初始中心波长为λ_B10，λ_B20，λ_B30，……，λ_Bi0，……，λ_Bm0，初始状态下光纤光栅串Ⅱ4的初始中心波长为λ’_B10，λ’_B20，λ’_B30，……，λ’_Bi0，……，λ’_Bm0；

S04、当载体随被测对象2发生同步变形后，获取变形后倾角仪1的测试角度θ₁；测得变形后光纤光栅串Ⅰ3的中心波长分别为λ_B11，λ_B21，λ_B31，……，λ_Bi1，……，λ_Bm1，光纤光栅串Ⅱ4的中心波长分别为λ’_B11，λ’_B21，λ’_B31，……，λ’_Bi1，……，λ’_Bm1；

S05、将测试值与初始值进行比较，根据光纤布拉格光栅传感原理和温度补偿原理，计算出各点的应变变化量Δε_zi：

1、光纤布拉格光栅传感原理

光纤布拉格光栅传感器，是采用光纤布拉格光栅作敏感元件的功能型光纤传感器。根据光纤耦合模式理论，当一束宽带光经过光纤光栅时，将产生模式耦合，当满足布拉格条件时，光栅将起到一个反射镜的作用，反射回一个窄带光波(其余的波长透过光纤光栅继续传输)，该窄带光波的中心波长即为光栅布拉格波长λ_B。

λ_B＝2n_effΛ (1)

当光栅受到外界温度、应变等作用时，Λ和n_eff随之发生变化ΔΛ和Δn_eff，导致符合Bragg条件的反射波长发生位移Δλ_B。

Δλ_B＝2Δn_effΛ+2n_effΔΛ (2)

上式即为光栅传感监测的机理，通过监测满足Bragg条件的反射波中心波长发生位移Δλ_B来检测作用在光纤光栅上的温度、应变、应力等外界被测信号。

光纤光栅中心波长产生的漂移为：

式中:ε_Z为轴向应变，P_e为弹光系数，α_∧为光纤的热膨胀系数，α_n表示热光系数，ΔT为温度的变化量。

2、温度补偿原理

多点位移测试装置采用两根光纤光栅串设计，FBG1和FBG2分别对称地安装在载体同截面的两侧，可实现FBG2对FBG1的温度自补偿。FBG1和FBG2的热膨胀系数和热光系数相同，因此二者的温度灵敏度系数也相同。从结构设计可以看出，中心波长的漂移与温度无关，仅随应变的变化而变化。两光纤光栅中心波长漂移之差为：

由上可得，本实施例中各点的应变变化量Δε_zi可采用如下公式表示：

S06、根据各点的应变变化量，根据材料力学理论，得出各点的位移y_i为：

由材料力学理论，可知：

被测对象2某一截面相对于相邻截面的转角θ_i与该截面上对称两点的应变差Δε_i的关系为：

式中，Δx_i为沿被测对象2长度方向上下两测量截面的间距；R为被测对象2相应截面上对称的两应变测点距离的一半。

结合式(6)和式(7)，假设倾角仪1测得的倾角变化量为Δθ₀，底部的位移为0，则得到被测对象2上某截面位移y_i为：

本实施例中被测对象2上各点的位移yi由如下公式表示：

Δθ₀＝θ₁-θ₀； (10)

本实施例中的载体是一种有一定刚度的柔性材料，变形模量略小于土，可以是PVC材质的管状物质，如PVC测斜管。对于测试深部的位移时，光纤光栅无法直接布设在被测对象上，就通过一种载体，先把光纤光栅固定安装在载体上，再将装有光纤光栅的载体与被测对象包裹，使得被测对象和载体同步变形，载体上的应变即反应的被测对象的应变，光纤光栅测试的是载体的应变等同于被测对象的应变。

Claims (1)

1.一种基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法，其特征在于：具有载体、倾角仪(1)、光纤光栅串Ⅰ(3)和光纤光栅串Ⅱ(4)；

将倾角仪(1)安装于载体一端，作为位移0点；

将光纤光栅串Ⅰ(3)和光纤光栅串Ⅱ(4)关于载体中心线对称的安装于载体两侧；

测得光纤光栅串Ⅰ(3)和光纤光栅串Ⅱ(4)的中心波长λ_Bi0、λ’_Bi0，作为初始值；获取倾角仪(1)的初始角度θ₀；

当载体随被测对象(2)发生同步变形后，测得光纤光栅串Ⅰ(3)和光纤光栅串Ⅱ(4)的中心波长λ_Bi1、λ’_Bi1，作为测试值；获取变形后倾角仪(1)的测试角度θ₁；

将测试值与初始值进行比较，根据光纤布拉格光栅传感原理和温度补偿原理，计算出各点的应变变化量Δε_zi：

式中，P_e为弹光系数；

根据各点的应变变化量，根据材料力学理论，得出各点的位移yi为：

Δθ₀＝θ₁-θ₀；

式中，Δx_i为沿被测对象(2)长度上下两测量截面的间距；R为被测对象(2)截面上对称两应变测点之间距离的一半。

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