光纖光柵巖土內(nèi)部二維變形監(jiān)測技術(shù)研究

周虎

摘 要：為了解決光纖光纖傳感技術(shù)在監(jiān)測巖土內(nèi)部二維變形中的應用問題，通過實驗研究、理論分析計算，設計了光纖光柵角度傳感器，建立了鉸接光纖光柵角度傳感器巖土內(nèi)部二維變形結(jié)構(gòu)模型，給出了鉸接點坐標公式；并通過工程實例及對比分析，對鉸接光纖光柵角度傳感器在12 m試驗路基段內(nèi)部變形中的監(jiān)測進行了可行性研究；研究結(jié)果表明：光纖光柵角度傳感器在0°～5°范圍內(nèi)，角度和波長偏移量呈線性變化，對應單個傳感器最大變形量100 mm/m、解析度0.0045 mm/m、精確度0.007 mm/m；鉸接光纖光柵角度傳感器監(jiān)測效果良好，誤差小，可在巖土二維變形監(jiān)測方面進一步推廣應用。

關鍵詞：光纖光柵 角度傳感器 巖土工程 二維變形

中圖分類號：TP73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0087-03

Study of Two-dimension Deformation in Geotechnical Engineering by Using Fiber Grating

Zhou Hu

（Shenmu Huisen Liangshuijing Mining Co.，Ltd，Yulin shanxi，719319，China）

Abstract：In order to solve the problem of two-dimension deformation in geotechnical engineering by using fiber grating sensing technology，through the experimental study and theoretical analysis，we design the fiber grating angle sensors，and build a geotechnical internal deformation structure model for hinged sensors，and give the hinged point coordinates formula，through engineering examples and comparison analysis，we conducted the feasibility； The results show that the angle and wavelength offset appear to be a linear relationship between 0 angle and 5 angle，corresponding to a single sensor with maximum deformation of 100 mm/m，resolution of 0.0045 mm/m，accuracy of 0.007 mm/m.the monitoring results of the sensors are good，the errors are small，we conclude that the fiber grating angle sensors will have a good prospect in geotechnical internal deformation monitoring in future.

Key Words：The fiber grating；Angle sensors；Geotechnical engineering；Two-dimension deformation

近些年，隨著光纖光柵傳感及其相關技術(shù)的日趨成熟，光纖光柵傳感器的實用化開發(fā)已成為傳感領域的研究熱點和關鍵。但光纖光柵傳感在巖土內(nèi)部變形監(jiān)測方面的應用還相對較少，同時由于巖土內(nèi)部情況變化的復雜性，人們也曾嘗試多種檢測手段進行研究[1-2]，如X射線法、聲發(fā)射等，但效果均不是很理想，X射線法對人體危害較大、操作不便且成本高；聲發(fā)射在信號很微弱的情況下，很難準確得到缺陷信號，且噪聲和干擾信號影響較大；而目前光纖光柵傳感也以其靈敏度高、操作性好、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點被用于越來越多的場合，光纖光柵傳感技術(shù)的引入為巖土內(nèi)部的變形監(jiān)測開辟了新的思路和途徑[3-4]。

1 光纖光柵巖土內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)

1.1 監(jiān)測機理

光纖光柵傳感器為多用途感測器，可測兩點或多點間的側(cè)向偏移或相對轉(zhuǎn)角。傳感器采用多點串接式設計，可依工程監(jiān)測需求，串接二至數(shù)十個光纖角度傳感器，提供待測體的整體變形曲線，其內(nèi)部線路無光纖外露，不但美觀可靠亦增加施工的便利性。光纖光柵傳感器通過特殊管件連接及夾具，可布放于待測體表面，也可直接埋入巖土內(nèi)部，若搭配人機界面軟體，還可實現(xiàn)系統(tǒng)的遠端在線監(jiān)控，并提供即時的待測體及巖土內(nèi)部變形狀況。

1.2 角度傳感器的設計及標定

整個光纖光柵角度傳感器的設計是一個比較復雜的過程，包括裸纖的熔接、在玻纖棒上沿軸心線方向刻偏心淺直槽、關節(jié)件的設計、裸纖與玻纖棒的復合粘接、穿管定位、加鋼套環(huán)、安裝小底座及整個管件的防水處理。單個光纖角度傳感器的主要設計指標：測量范圍±100 mm，解析度0.0045 mm/m、精確度0.007 mm/m。

光纖光柵角度傳感器的標定也是非常關鍵的一部分，在0°～5°的范圍內(nèi)，進行角度和波長偏移量的反復性標定試驗，由于小角度的等分標定比較困難，實驗過程中通過垂直位移量（沉降量）的等分標定來實現(xiàn)一個等價轉(zhuǎn)換，如表1所示。

對樣品標定數(shù)據(jù)進行線性擬合，受拉/壓狀態(tài)標定下，線性度R2=0.9993，說明抽樣傳感器標定離散點數(shù)據(jù)的線性擬合情況良好。抽樣傳感器受拉/壓狀態(tài)下，角度（x）與波長偏移量（y）的標定線性關系式為：

y=0.2692x

由于光纖光柵同時對溫度和基底的角度變化敏感，設計過程中通過不受力溫度補償方法剔除溫度變化對角度測量的影響，試驗結(jié)果表明：1℃溫度變化對應引起10 pm的測量誤差。因此，當溫度變化較大時，用光纖光柵做角度變化傳感須考慮溫度的影響，否則，會因為溫度的變化而影響角度測量的精度。

1.3 基于角度變換的坐標算法

角度傳感器的設計完成只能說完成了光纖巖土二維變形監(jiān)測的第一步，在光纖光柵角度傳感器設計的基礎上，建立了基于角度變換的傳感點的坐標算法，進而為實現(xiàn)巖土內(nèi)部長距離變形監(jiān)測提供理論支撐。

具體算法的建立如下：設單個角度傳感玻纖棒的長度為L（單位：mm），相鄰傳感棒間的鉸接件長度為L1（單位：mm），二維沉降過程中單個角度傳感棒的下沉角設為θi（i=1，2，…，n），第一根角度傳感玻纖棒的前端點O設為參考點，在O處建立參考坐標系XOY（其中：X軸為第一根玻纖棒初始位置對應所在直線，Y⊥X），后續(xù)傳感棒間的鉸接點依次設為O1、O2、O3…Oi，并在鉸接點處建立平面運動坐標系X1 O1Y1、X2 O2Y2、X3 O3Y3…Xi OiYi （其中：Xi軸為相鄰上一段玻纖棒下沉θi-1后對應所在直線，Yi⊥Xi）

另外，該算法的建立過程中對單段角度傳感玻纖棒進行了一個近似等價處理，即認為0°～5°的小角度范圍內(nèi)，長度為600～1 000 mm，直徑為6 mm的角度傳感玻纖棒在二維平面內(nèi)的彎曲變形很小，可等價處理為類直線段。

以單段長度為1 000 mm的傳感棒為例：在平面內(nèi)彎曲旋轉(zhuǎn)達到5°時，棒末端點的實際坐標為（994 mm，99.5 mm），等價為類直線后棒末端點的坐標為（995 mm，99.6 mm）。

坐標X的誤差率：δx=ΔX/X實=1/994=0.1%

坐標Y的誤差率：δy=ΔY/Y實=0.1/99.5=0.1%

鉸接角度傳感玻纖棒在二維平面內(nèi)發(fā)生小變形的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

依據(jù)已知假設條件及理論結(jié)構(gòu)模型示意圖對鉸接點O1，O2，…，Oi的位置坐標進行遞推計算得到相對于參考點O及參考坐標系XOY的二維平面坐標計算公式。

鉸接點的二維平面坐標計算公式如下：

θi-θ

其中θi是有正負的，規(guī)定光纖受拉時，θi為正值，光纖受壓時，θi為負值。

2 工程應用

為了進一步驗證該監(jiān)測技術(shù)的效果和實用性，我們在試驗路基底基層，選擇了兩個長12 m半截面，進行刻槽鋪設，鋪設完成后，對鋪設傳感的靈敏度和整體變化趨勢進行了相關測試，并進行了相關數(shù)據(jù)的采集記錄。

在碾壓變形過程中，Δλ的最小變化量0.002，說明波長能感受非常微小的變化，傳感器感知變形非常靈敏；3個溫度傳感點在溫度基本保持穩(wěn)定的情況下，波長碾壓前后基本不發(fā)生變化，這也說明我們設計的溫度傳感不受力封裝良好；碾壓變形后其各傳感點相對于初始位置坐標變化情況如圖2所示。

由圖2可以看出，在鋪設的光纖光柵角度傳感玻纖棒其整體感知變形趨勢準確，感知傳感點最大變形26.7 mm，與傳感點位置實測的最大變形28 mm也基本吻合，實際感知最大變形誤差1.3 mm，由此也說明設計的光纖光柵角度傳感效果良好，在巖土二維變形監(jiān)測方面可進一步推廣應用。

3 結(jié)語

（1）光纖與玻纖棒基材復合而成的光纖光柵角度傳感器在0°～5°范圍內(nèi)，進行二維變形標定測試，角度和波長偏移量均呈現(xiàn)良好的線性關系，線性相關度都在0.99以上。

（2）采用不受力溫度補償法，消除了溫度對波長漂移量的影響，為光纖光柵角度傳感器的準確測量提供了保證。

（3）基于角度變換的鉸接傳感器二維變形結(jié)構(gòu)模型的建立，為鉸接點坐標位置的確定，進而實現(xiàn)巖土內(nèi)部長距離二維變形監(jiān)測提供了理論支撐。

（4）在試驗路基段鋪設的光纖光柵角度傳感器靈敏度良好，整體感知受壓變化趨勢準確，表明設計的傳感器效果良好，在巖土二維變形監(jiān)測方面可進一步推廣應用。

參考文獻

[1] 孫圣和，王廷云，徐穎.光纖測量與傳感技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000.

[2] 張偉剛.光纖光學原理及應用[M].天津：南開大學出版社，2008.

[3] 隋海波，施斌.地質(zhì)和巖土工程光纖傳感監(jiān)測技術(shù)綜述[J].工程地質(zhì)學報，2008，16（1）：135-143.

[4] 陳繼宣，龔華平，張在宣.光纖傳感器的工程應用及發(fā)展趨勢[J].光通訊技術(shù)，2009（10）：38-40.