基于光纖光柵傳感的測斜自動化室內(nèi)試驗研究

王 群 敏

(浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311122)

基于光纖光柵傳感的測斜自動化室內(nèi)試驗研究

王 群 敏

(浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311122)

介紹了將光纖光柵傳感器技術(shù)用于測斜自動化監(jiān)測的室內(nèi)設(shè)計方法，根據(jù)光纖布拉格光柵波長變化與應(yīng)變之間的線性關(guān)系求得各測點的應(yīng)變，并通過多項式擬合和積分，由測點應(yīng)變計算出各測點的位移，最后指出室內(nèi)試驗結(jié)果驗證了該新型原位測斜儀和分析方法的有效性，研究結(jié)果可為深層土體側(cè)向變形監(jiān)測提出新的可靠途徑。

光纖光柵傳感技術(shù)，自動化，應(yīng)變，位移

0 引言

基坑側(cè)向變形觀測是基坑開挖支護施工過程監(jiān)測中一項最為直觀和有效的方法，對深基坑的安全有決定性的迅速而準(zhǔn)確的反應(yīng)。傳統(tǒng)的測斜儀存在如下的不足：

1)量測的范圍有限；

2)儀器本身為剛性材料，當(dāng)測斜管嚴(yán)重扭曲時，儀器就無法通過，測量便中斷；

3)電子測斜儀在兩軸方向(X與Y方向)的測量精度不同，一般僅取用與滑輪同向的測量結(jié)果，另外一軸方向的結(jié)果僅供參考；且同一方向需反復(fù)測量兩次，才能獲得較好的結(jié)果。所以測量時需抽出再重復(fù)動作，費時費力；

4)儀器內(nèi)部的零件復(fù)雜，價格昂貴，維修不易，現(xiàn)場維修更是不可能；

5)不能實時監(jiān)測，即不能隨時監(jiān)測測點的變形情況，因而不能及時反映施工過程中的異常變化[1]。因此不太適合作為現(xiàn)場長期自動監(jiān)測的儀器。固定式測斜儀可實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，它通過測量地球引力在測量方向上的分量，傳感器本身為剛性材料，量程較小[2,3]，且測量會受環(huán)境因素(如暴風(fēng)、降雨、溫度、大氣變化、開挖填筑等)和發(fā)動機、電動機和電焊機等產(chǎn)生的電噪影響。

光纖傳感技術(shù)利用其質(zhì)輕、徑細、強抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、信號衰減小、集信息傳感與信息傳輸于一體等特點，基本上克服了用測斜儀進行深層土體水平位移監(jiān)測的缺陷，并能實現(xiàn)在線實時監(jiān)測，是土木工程安全監(jiān)測的理想手段。

近年來，很多國內(nèi)外專家為將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于地基基礎(chǔ)健康監(jiān)測領(lǐng)域，做出了不懈的努力。如朱鴻鵠等采用光纖光柵技術(shù)成果研發(fā)了混凝土應(yīng)力計等巖土監(jiān)測儀器[4]。裴華富等研發(fā)了新型的光纖光柵原位測斜儀[5]。然而對于光纖光柵在實際工程應(yīng)用中對測試結(jié)果有影響的因素研究很少。

為了研究光纖光柵測試結(jié)果的可靠性，在室內(nèi)進行了試驗，并通過與百分表測量的位移對比，對測試結(jié)果進行歸納分析，從而為光纖光柵傳感技術(shù)用于測斜的工程實際應(yīng)用提供可靠的室內(nèi)試驗依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗原理

由光波導(dǎo)的耦合理論可知，光在寫有Bragg光柵的光纖中傳輸時，滿足式(1)條件(稱為Bragg條件)的光波將被FBG反射，反射波對應(yīng)的中心波長λB稱為Bragg波長：

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff——光柵的有效折射率；Λ——光柵柵距。

當(dāng)外部荷載(如應(yīng)變、溫度)作用在FBG上，造成光柵的有效折射率neff或光柵柵距Λ的變化時，F(xiàn)BG反射波的中心波長也隨之變化。

當(dāng)FBG受拉、壓力，在光纖的軸向產(chǎn)生應(yīng)變(忽略溫度的影響)時，引起的光纖光柵Bragg波長的漂移可表示為：

(2)

其中，ε為光纖布拉格光柵軸向應(yīng)變；Pe為有效彈光系數(shù)。

1.2 室內(nèi)試驗設(shè)計

取測斜管作為實驗的載體，測斜管端點通過連接器與架子的圓鋼管實現(xiàn)點接觸。為了能在試驗加載過程中對測斜管上不同位置的位移變化有所記錄，在測斜管上選擇了9個測點，測點沿測斜管上、下對稱布置(見圖1)。選18支反射率、邊模抑制比和3 dB帶寬相同的光柵，且裸光纖長度基本相同，將光纖布拉格光柵傳感器陣列安裝在測斜管上。試驗過程通過增減砝碼的方法控制變形，在施加荷載前做好各測點的設(shè)置并取得原始數(shù)據(jù)，然后逐級施加載荷，以增加變形量，待施加到一定變形后，再反向卸載逐步卸載回?zé)o載荷狀態(tài)。在整個過程中使用杭州玨光物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司生產(chǎn)的便攜式解調(diào)儀對光纖光柵傳感器的波長讀數(shù)進行實時監(jiān)測，根據(jù)波長變化換算出應(yīng)變量，根據(jù)材料力學(xué)計算公式計算出測點的撓度，從而計算出測點的變形量。同時，在測斜管上端的相應(yīng)測點位置架設(shè)百分表來直接測量各個測點的實際變形量，為消除百分表指針沿測斜管槽移動，在測斜管各測點上粘貼玻璃片，百分表指針指向各測點。

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理方法

PVC測斜管橫截面形心在垂直于水平方向的線位移f稱為該截面的撓度?？紤]測斜管與固定支架為點接觸，整個體系可考慮為兩端鉸支的簡支梁，邊界條件為：兩端位移為0，應(yīng)變?yōu)?。

根據(jù)式(2)得到測斜管上附著的光纖光柵可測得各點的應(yīng)變，通過多項式擬合和積分，可由應(yīng)變計算管的撓度曲線，即:

(3)

式中：εx——由光纖光柵波長讀數(shù)極端得到的測斜儀管體應(yīng)變；L——測斜管的有效長度；x——距撓度為0端的距離；R——光柵距離測斜管中軸線的距離。

2 研究結(jié)果與討論

選取變形較大的4號測點進行分析，進行室內(nèi)加載試驗，每級卸載穩(wěn)定后，讀取光纖光柵波長和百分表讀數(shù)，然后施加下一級荷載。試驗中，外加最大荷載為5 kg。當(dāng)加載至5 kg并測取讀數(shù)后，再遞減荷載卸載，并讀取百分表和光纖光柵的讀數(shù)。實測結(jié)果如表1,圖2所示。

表1 載荷試驗數(shù)據(jù)表

從表1和圖2可以看出，F(xiàn)BG測試結(jié)果與百分表實測位移較接近，絕對誤差小于5%，總體特征為百分表測量的位移量大于FBG測試的位移量。不同荷載下絕對誤差不等與讀取百分表讀數(shù)和讀取光纖光柵波長值不同步有關(guān)。

由材料力學(xué)可知，在一點施加荷載時，以加載點為界，左右兩側(cè)應(yīng)變與距離成線性關(guān)系。圖3為加載過程中上端與下端各測點的應(yīng)變分布圖，表2給出了不同位置應(yīng)變與距離的關(guān)系表(y為應(yīng)變，x為到端點的距離)，從表2中可以看出在點荷載作用下，測斜管的應(yīng)變與距離有很好的相關(guān)性，以受荷點為界左右兩側(cè)呈線性分布，且相關(guān)系數(shù)大于0.99。

表2 加載至5 kg時應(yīng)變與距離的關(guān)系表

圖4為加載至5 kg時各測點位移分布圖，從圖4中可以看出，光纖布拉格光柵測試的位移在數(shù)值上基本與百分表測量位移量相吻合。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)光纖光柵測試的數(shù)據(jù)變化大小趨勢和百分表測量的數(shù)據(jù)變化大小趨勢是基本一致的。

以上說明了光纖光柵傳感技術(shù)用于深層土體位移監(jiān)測是可行的。

3 結(jié)語

本文通過將光纖光柵技術(shù)用于測斜自動化室內(nèi)試驗研究，采用多項式擬合和積分計算方法由光纖光柵傳感器所測應(yīng)變計算測點的位移與百分表測試位移進行對比，研究結(jié)果表明通過光纖布拉格光柵測試計算的撓度與百分表直接測量的撓度基本吻合，從試驗的角度說明了將光纖光柵傳感技術(shù)用于深層土體位移監(jiān)測是可行的。

[1] 葉 鋒，李進輝，張功新.測斜儀使用及數(shù)據(jù)處理中的若干問題研究[J]．土工基礎(chǔ)，2010(5)：76-78.

[2] 張曉樸,張 達,蘇 軍.基于固定式測斜儀的尾礦庫壩體變形監(jiān)測[J].有色金屬(礦山部分),2012,64(5):64-67.

[3] 王美華,程子聰.自動化測斜技術(shù)在深層土體水平位移監(jiān)測中的應(yīng)用[J].建筑施工,2016,38(2):141-142.

[4] 朱鴻鵠,殷建華,靳 偉,等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的地基基礎(chǔ)健康監(jiān)測研究[J].土木工程學(xué)報,2010,43(6):109-115.

[5] 裴華富,殷建華,朱鴻鵠,等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的邊坡原位測斜及穩(wěn)定性評估方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(8):1570-1576.

Indoortestresearchofsurveyautomationbasedonfiberbragggratingsensingtechnology

WangQunmin

(ZhejiangHuadongEngineeringSafetyTechnologyCo.,Ltd,Hangzhou311122,China)

This paper introduces the technology of fiber grating sensors for inclinometer monitoring approach to interior design. According to the optical fiber prague grating wavelength variation and strain of the linear relationship between the strain is obtained, and then through the polynomial fitting and integral, by measuring the strain are calculated for each measuring point displacement. Point out indoor test results verify the new in-place inclinometer and the effectiveness of the analysis method. The research results can be used for deep soil lateral deformation monitoring is presented the new reliable way.

optical fiber grating sensing technology, automation, strain, displacement

1009-6825(2017)23-0083-03

2017-06-06

王群敏(1986- ),女，工程師

TU413.62

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