CN204479034U - 一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基础设施结构安全健康监测领域，具体而言是一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测系统，包括光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，所述光纤光栅传感器组与传输光纤连接，所述传输光纤另一端连接至光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪通过无线远端连接至监控主机，所述光纤光栅解调仪通过发出探测光经传输光纤入射至测试区所有的光纤光栅传感器组中，由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解调，得到各传感器反射光的波长信号；监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解调仪进行数据传输，并对数据进行处理，以得到各监测点的应变。

Description

一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测系统

技术领域

本实用新型涉及基础设施结构安全健康监测领域，具体而言是一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测系统。

背景技术

由于在经济和技术上的独特优点，尤其是水下连接和基础处理的突破性进展，沉管隧道越来越受到工程界的青睐。与矿山隧道相比，沉管隧道受力上有其独特之处，除了要受上覆静荷载和过车荷载作用外，沉管隧道还受到浪动荷载以及水中离子的侵蚀，且大部分沉管隧道都修建在软土地区，对沉降和变形非常敏感。现阶段对沉降问题研究的很多，对应变研究的较少。对沉降的控制只能反映管节竖向变形，不能完整反映管节内外受力情况。应变是材料与结构的重要物理特征参量，最能反映局部结构特征、便于结构安全评价和损伤定位。因此，沉管隧道运营期间管节段应变监测显得尤为重要。

目前，大部分沉管隧道沉降变形监测及健康诊断都由水准仪完成，而少有对沉管隧道管片应变的监测。本实用新型正是基于这一现状，提出了一套采用光纤传感技术测试沉管隧道应变的系统。其原理是使光纤光栅与管片监测点产生同步应变，由此使得光栅间距产生变化，同时由于光纤光栅的光弹效应，光纤光栅的折射率发生改变，这会使得探测光的反射波长较入射波长发生变化，由此可测的监测点处的应变。本实用新型具有结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强等优点，另外实用新型可同时对隧道多断面多点位进行监测，是一个沉管隧道变形的网状监测系统。

发明内容

本实用新型针对现有的沉管隧道应变监测上的不足，提供一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测系统，对沉管隧道施工及后期运营过程产生变形提供高精度的实时监测。

为达成上述目的，本实用新型提供了一种沉管隧道变形监测系统，包括光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，所述光纤光栅传感器组与传输光纤连接，所述传输光纤另一端连接至光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪通过无线远端连接至监控主机，每个光纤光栅传感器组包括6个用于监测沉管隧道断面各监测点应变的光纤光栅应变传感器和1个用于温度校正的光纤光栅温度传感器，所述光纤光栅应变传感器安装于断面各监测点处，沉管隧道每个断面均安装有一个光纤光栅温度传感器；所述光纤光栅解调仪通过发出探测光经传输光纤入射至测 试区所有的光纤光栅传感器组中，由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解调，得到各传感器反射光的波长信号；监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解调仪进行数据传输，并对数据进行处理，以得到各监测点的应变。

进一步，沉管隧道变形监测系统同时对沉管隧道多个断面进行实时监测，每个断面均安装有一组光纤光栅传感器组，包括6个光纤光栅应变传感器和1个光纤光栅温度传感器，光纤光栅传感器组与支路传输光纤相熔接，支路传输管汇集于干路总传输光纤，最后连接至光纤光栅解调仪，形成一套多断面多点位的实时监测系统。

进一步，传感器内光纤光栅采用相位掩模板刻写技术来制备。纤光栅应变传感器是由光纤光栅粘贴于敏感元件线槽内再经封装制得；纤光栅温度传感器是将光纤光栅置于传感器盒预留的小槽内，再在小槽的两端用固定胶将光纤光栅固定，待两端固定后再往小槽内填充不固化的导热膏，加盖封装制得。

进一步，各传感器与支路传输光纤相熔接，支路传输管汇集于干路总传输光纤，最后连接至光纤光栅解调仪。

进一步，光纤光栅解调仪包括：

1)钥匙电源开关：插入钥匙后顺时针旋转30度电源接通，回位后电源断开；

2)电源指示灯：系统工作时常亮；

3)系统故障指示灯：系统内部发生故障时常亮；

4)网络通信指示灯：以太网络通讯是闪烁；

5)数据采集指示灯：系统通电自检后常亮，表示可以采集数据；

6)通道指示灯：指示各通道当前工作状况；

7)八路外接光纤通道：接口类型为FC/APC，外接各种光栅传感器；

8)以太网络接口：与无线调制解调器相连，发射代码转变为无线信号传送至中央数据库；

9)继电器扩展接口：控制外围设备；

10)系统调试接口：用于对系统进行调试；

11)通讯串口：和别的设备通讯；

12)SIM卡插口：通过SIM卡将监测数据转变为发射代码

13)电源线插口：连接外接电源，给光纤光栅解调器供电。

进一步，光纤光栅解调仪与监控主机之间的数据传输是以无线远程数据传输网络媒介的，所述无线远程传输系统包括现场监测站的客户端无线调制解调器、解调仪内客户端传输程序、 中央数据库、用户端无线调制解调器、监控主机内传输程序组成，每个监测点的监测数据都通过无线网络传输到中央数据库，中央数据库对数据信息进行预处理和录入，保证数据的准确有效性，用户端获取权限后可对中央数据库内的数据进行访问。

进一步，所述的沉管隧道变形监测系统的测试方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)测试元件制备：光纤光栅采用相位掩模法进行制备，制备过程中，控制好相位掩模板的槽形深度和占宽比，即可有效的抑制衍射光谱的零级衍射光而同时增强其±1级衍射光的衍射效率，可有效提高光纤光栅的制作质量；

2)测试仪器的安装：选定沉管隧道监测断面若干，每一个监测断面布置有若干个监测点，因此其构成的是一套多断面多点位的分布式网状监测系统，可实时监测多点位的应变状况，从而可推知隧道的整体形变状况；

3)数据传输：监测系统采用的是无线远程数据传输的方式，监测现场采集的数据通过无线调制解调器转变为无线信号传送至中央数据库加以存储，用户端只要安装服务器传输程序获取访问权限后即可通过无线调制解调器访问相应权限内中央数据库储存的数据，这种数据传输的方式，可以实现测试设备与监控主机的分离，达到远程监测的目的。

4)数据处理：监控主机获取权限后对中央数据库内的数据进行访问，可将原数据绘制成光谱图，后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成，由此可得到各光纤光栅传感器组反射光的波长时程图，经换算后即可得到各监测点的应变时程曲线。

本实用新型的有益效果主要表现在：本实用新型具有结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强等优点；传感器内光纤光栅制作时，光纤掩模板采用适当的槽形深度和占宽比，可有效抑制零级衍射效率和增强±1级的衍射效率，这使得制作出的光纤光栅具有高反射率、高边模抑制比和窄带宽等优点，测量结果也更加准确；监测数据通过无线远程数据传输网络进行传输，具有远程监控的特点，大大方便了监测工作的开展；监测系统对隧道内多点位多断面进行实时监测，可持续量测从隧道施工到后期运营全阶段过程中隧道的变形状况，监测结果可用于指导施工及后期的运营保养。

附图说明

图1为较优实施例的沉管隧道变形监测系统的结构示意图。

图2为传感器横断面布置图。

图3为相位模板法制作光纤光栅示意图。

图4为光纤光栅应变传感器封装结构图。

图5为光纤光栅温度传感器封装结构图。

图6为光纤光栅解调仪前面板结构示意图。

图7为光纤光栅解调仪后面板结构示意图。

图8为无线远程数据传输系统结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步描述。

据本实用新型较优实施例，如图1所示，沉管隧道变形监测系统包括：三个监测断面1、2、3，每个监测断面均有安装光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，传感器采用膨胀螺丝固定于沉管隧道管片上，每个传感器均由支路光纤连接，各支路光纤最后汇集至一干路光纤，共三条干路光纤，干路光纤最后连接至光纤光栅解调仪4处，光纤光栅解调仪4与一无线调制解调器5相连，无线调制解调器将采集的数据以无线信号的形式传送至中央数据库6，监控主机8在获取访问权限后可通过另一无线调制解调器7访问中央数据库6内相应权限的数据，监控主机将获取的数据加以换算解析，即可得到各断面的变形情况。

图2为传感器横断面布置图，包括有6个光纤光栅应变传感器1、2、3、4、5、6和1个光纤光栅温度传感器7，各传感器均匀分布在沉管隧道管片上，对各应变传感器测得数据加以温度校正，即可得到各监测点的应变，进而可以推知整个横断面的变形状况。

图3为相位模板法制作光纤光栅示意图，相位模板利用电子光束±1级衍射光(3和5)干涉形成的周期性的明暗条纹对载氢光纤进行曝光而得到光纤光栅2，此法不依赖入射光波长，只与相位模板的周期有关，大大简化了光纤光栅2的制作过程，降低了对写入条件的限制，可实现批量化生产。该法的原理公式为λ_B＝2n_effΛ＝n_effΛ_pm，λ_B为布拉格波长，n_eff为光纤纤芯有效折射率，Λ为光纤光栅的周期，Λ_pm为相位掩模的周期。该法的关键技术在于衍射光包含有若干级衍射光谱，而制作光纤光栅所需光谱为±1级，而实际0级光谱4较强，因此需要抑制0级光谱增强±1级光谱的衍射效率。实际试验证明，合理控制光纤掩模1的占宽比和槽形深度可有效抑制0级光谱的衍射效率并同时增强±1级光谱的衍射效率。本发明采用的光纤掩模板可大大抑制0级光谱的衍射效率，制作出的光纤光栅具有高反射率、高边模抑制比及窄带宽等优点，测量结果准确。

图4为光纤光栅应变传感器封装结构图，是将光纤光栅2粘贴于敏感元件1的线槽内，敏感元件1的另一面粘贴在监测点上，监测点发生拉压应变则敏感元件则会带动光纤光栅产生相 应的拉压应变，此时光栅间距及光纤的折射率均发生变化，反射光的波长将较原来产生偏移，计算公式为：Δλ_B＝C_c-fλ_B(1-p_c)ε_f，其中C_c-f为光纤与铜片间的粘贴系数，p_c光纤有效光弹系数。通过此公式即可反算出应变ε_f。

图5为光纤光栅温度传感器封装结构图，是将光纤光栅3置于传感器盒1内小槽中，中间充填不固化导热膏2加以固定制成，导热膏不固化，可以吸收和缓冲外界应力，避免光纤光栅受外界应力的影响，只受传感器所处温度的影响。

图6为光纤光栅解调仪前面板结构示意图，包括：

1)钥匙电源开关1：插入钥匙后顺时针旋转30度电源接通，回位后电源断开；

2)电源指示灯2：系统工作时常亮；

3)系统故障指示灯3：系统内部发生故障时常亮；

4)网络通信指示灯4：以太网络通讯是闪烁；

5)数据采集指示灯5：系统通电自检后常亮，表示可以采集数据；

6)通道指示灯6：指示各通道当前工作状况。

图7为光纤光栅解调仪后面板结构示意图，包括有：

1)八路外接光纤通道1：接口类型为FC/APC，外接各种光栅传感器；

2)以太网络接口2：与无线调制解调器相连，发射代码转变为无线信号传送至中央数据库；

3)继电器扩展接口3：控制外围设备；

4)系统调试接口4：用于对系统进行调试；

5)通讯串口5：和别的设备通讯；

6)SIM卡插口6：通过SIM卡将监测数据转变为发射代码

7)电源线插口7：连接外接电源，给光纤光栅解调器供电。

图8为无线远程数据传输系统结构示意图，光纤光栅传感器组量测结果以反射光波长的变化为载体经由传输光纤传送至光纤光栅解调仪1处，光纤光栅解调仪对各路通道光波加以解调处理，再经由无线调制解调器2转变为无线信号传送至中央数据库3处加以保存，监控主机5获取访问权限后可通过无线调制解调器访问中央数据库3内存储的数据。进一步，监控主机将原数据绘制成光谱图，后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成，由此可得到各光纤光栅传感器组反射光的波长时程图，经换算后即可得到各监测点的应变时程曲线。

综上所述，本实用新型适用于沉管隧道的建设及运营维护阶段，监测时在沉管隧道多个断面多个点位布置光纤光栅传感器组，组成一套网状式分布的监测系统，监测沉管隧道整体变性状况，可指导施工和为后期运营维护作参考；传感器光纤光栅采用相位掩模板法制备，通过控制相位掩模板的槽形深度和占宽比，制得高质量的光纤光栅，且监测断面均由光纤光栅温度传感器进行校正，监测结果准确度高；本实用新型采用无线远程数据传输的方式，大大方便了监测工作的开展，可真正做到远程监测。

Claims (5)

1.一种沉管隧道变形监测系统，包括光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，所述光纤光栅传感器组与传输光纤连接，所述传输光纤另一端连接至光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪通过无线远端连接至监控主机，其特征在于：每个光纤光栅传感器组包括6个用于监测沉管隧道断面各监测点应变的光纤光栅应变传感器和1个用于温度校正的光纤光栅温度传感器，所述光纤光栅应变传感器安装于断面各监测点处，沉管隧道每个断面均安装有一个光纤光栅温度传感器；所述光纤光栅解调仪通过发出探测光经传输光纤入射至测试区所有的光纤光栅传感器组中，由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解调，得到各传感器反射光的波长信号；监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解调仪进行数据传输，并对数据进行处理，以得到各监测点的应变。

2.根据权利要求1所述的沉管隧道变形监测系统，其特征在于：沉管隧道变形监测系统同时对沉管隧道多个断面进行实时监测，每个断面均安装有一个光纤光栅传感器组，光纤光栅传感器组与支路传输光纤相熔接，支路传输管汇集于干路总传输光纤，最后连接至光纤光栅解调仪，形成一套多断面多点位的实时监测系统。

3.根据权利要求1或2所述的沉管隧道变形监测系统，其特征在于：所述光纤光栅解调仪各通道与各干路传输光纤相连，光纤光栅解调仪通过传输光纤向各光纤光栅传感器组发出探测光，并对反射光进行解调处理。

4.根据权利要求1或2所述的沉管隧道变形监测系统，其特征在于光纤光栅解调仪包括：

1)钥匙电源开关：插入钥匙后顺时针旋转30度电源接通，回位后电源断开；

2)电源指示灯：系统工作时常亮；

3)系统故障指示灯：系统内部发生故障时常亮；

4)网络通信指示灯：以太网络通讯是闪烁；

5)数据采集指示灯：系统通电自检后常亮，表示可以采集数据；

6)通道指示灯：指示各通道当前工作状况；

7)八路外接光纤通道：接口类型为FC/APC，外接各种光栅传感器；

8)以太网络接口：与无线调制解调器相连，发射代码转变为无线信号传送至中央数据库；

9)继电器扩展接口：控制外围设备；

10)系统调试接口：用于对系统进行调试；

11)通讯串口：和别的设备通讯；

12)SIM卡插口：通过SIM卡将监测数据转变为发射代码

13)电源线插口：连接外接电源，给光纤光栅解调器供电。

5.根据权利要求1或2所述的沉管隧道变形监测系统，其特征在于：光纤光栅解调仪与监控主机之间的数据传输是以无线远程数据传输网络媒介的，所述无线远程传输系统包括现场监测站的客户端无线调制解调器、解调仪内客户端传输程序、中央数据库、用户端无线调制解调器、监控主机内传输程序组成，每个监测点的监测数据都通过无线网络传输到中央数据库，中央数据库对数据信息进行预处理和录入，保证数据的准确有效性，用户端获取权限后可对中央数据库内的数据进行访问。