以光纖應(yīng)力傳感為基礎(chǔ)的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)分析

梅華 何軍 孔德全 李海勃

摘 要：本文以光纖應(yīng)力傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種山體滑坡預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。首先簡要分析了光纖應(yīng)力傳感的基本原理，探討了監(jiān)測山體滑坡內(nèi)應(yīng)力的具體方法，指出了檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成，最后就檢測方法的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從中得知，山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)力測量范圍為0～14Mpa，測量距離為1km，空間分辨率為2m。

關(guān)鍵詞：光纖應(yīng)力傳感器；山體滑坡；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）15-0067-02

針對山體滑坡來講，其無論是對水利工程，還是對橋梁工程、建筑工程等，均有著非常大的危害，因此，對其進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)預(yù)警檢測，十分必要且迫切?，F(xiàn)階段，主要檢測方法主要有如下幾種：降雨量監(jiān)測法、地下水位監(jiān)測法，以及諸如鉆孔傾斜儀法、精密大地測量、機(jī)械-電子位移測量等以位移為運(yùn)作軸心的監(jiān)測方法，針對此些測量方法而言，獲得或少的存在一些缺點(diǎn)與不足，比如無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，難以進(jìn)行自動(dòng)測量，在進(jìn)行多點(diǎn)測量使需要過程的周期等。而對于分布式光纖應(yīng)力傳感器而言，其所具有的優(yōu)點(diǎn)為多點(diǎn)測量不需要過長的時(shí)間、具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、高靈敏度等，能夠根據(jù)實(shí)際情況及需要，用作觀測滑坡體內(nèi)應(yīng)力的變化，另外，還能實(shí)時(shí)、適時(shí)監(jiān)測建筑、水利及橋梁等工程災(zāi)害。本文基于光纖應(yīng)力傳感器，介紹了一種山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。

1 光纖應(yīng)力傳感器概述

1.1 光纖應(yīng)力傳感器概述

對于光纖應(yīng)力傳感器而言，從根本上來講，其就是以光纖路徑待測力場為基本對象，對其具體的空間分布情況進(jìn)行感知，另能感知其隨著時(shí)間而產(chǎn)生的對應(yīng)性變化，因而是一種比較先進(jìn)、智能化的新型傳感器?，F(xiàn)階段，在技術(shù)類別上已經(jīng)出現(xiàn)多種，比如偏振模耦合相干、光頻域反射（OFDR）、光相干域反射（OCDR）、調(diào)頻載波（FMCW）等。針對上述這些技術(shù)來講，當(dāng)其處于實(shí)驗(yàn)室條件中，均能夠得到比較理想的結(jié)果，性能都比較優(yōu)良，但是如果實(shí)際應(yīng)用到工程當(dāng)中，那么其實(shí)用性便大大折扣。以光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）為基礎(chǔ)，所設(shè)計(jì)出的光纖壓力傳感器，不僅有著比較大的動(dòng)態(tài)范圍，而且在靈敏度上也比較高，除此之外，工程實(shí)用性也比較突出，基于此些優(yōu)點(diǎn)，可將其用作監(jiān)測滑坡體內(nèi)應(yīng)力的變化。本文介紹了一種將光纖應(yīng)力傳感器作為基礎(chǔ)平臺(tái)的監(jiān)測系統(tǒng)，用此監(jiān)測滑坡體內(nèi)應(yīng)力的具體分布情況，同時(shí)還能監(jiān)測其總體的變化情況，因而是一種效果比較突出的用于山體滑坡預(yù)警的監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)既往應(yīng)用實(shí)踐得知，此監(jiān)測系統(tǒng)能夠在山體滑坡中得到廣泛應(yīng)用，還能用作諸如建筑、橋梁等工程的災(zāi)害監(jiān)測。

1.2 光纖應(yīng)力傳感器的基本原理

若把外界信號(hào)依據(jù)一定規(guī)律，使光纖發(fā)生較小周期的波狀變化，光纖把沿其軸線所形成的具有一定周期性的微小彎曲、光纖彎曲等，導(dǎo)致傳感損耗；針對光纖當(dāng)中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)，由于光纖微彎損耗受到一定程度的調(diào)制。針對微彎損耗來講，模式耦合為其主要機(jī)理，也就是纖芯中傳輸?shù)膶?dǎo)模，以耦合的方式傳輸?shù)捷椛淠Ｖ?，并伴隨輻射作用傳至光纖之外。

針對光纖而言，如果其受到較大程度的微彎擾動(dòng)時(shí)，那么受此影響，便會(huì)產(chǎn)生一定程度的微彎損耗，對于其大小來講，通常能夠比較準(zhǔn)確的體現(xiàn)出引起光纖微彎擾動(dòng)物理量的相應(yīng)變化情況。針對滑坡內(nèi)部所存在的應(yīng)力而言，可借助于微彎調(diào)制機(jī)構(gòu)，對光纖實(shí)施微彎調(diào)制，可以比較準(zhǔn)確、全面的對滑坡內(nèi)部的應(yīng)力變化進(jìn)行傳感。在此過程中，可以將光纖所受微彎擾動(dòng)設(shè)定為△P，也就是將應(yīng)力變化量設(shè)定為△P，而將光纖微彎形變設(shè)定為△X，由其所產(chǎn)生的微彎損耗具體的變化量，可設(shè)定為△α，那么可以得到如下公式：

（1）

在此公式當(dāng)中，所表示的是靈敏度系數(shù)，其不僅與微彎調(diào)制機(jī)構(gòu)相對應(yīng)的齒數(shù)與空間周期存在緊密關(guān)聯(lián)外，還與光纖的傳輸特性之間存在相關(guān)性。如果用光線，將多個(gè)應(yīng)力調(diào)制區(qū)串聯(lián)在一起，通過光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）的運(yùn)用，探測微彎損耗，并對其進(jìn)行相應(yīng)定位，因而最終便能達(dá)到分布測量應(yīng)力的目的。首先，可以將注入光纖的光脈沖峰值相應(yīng)功率設(shè)定為P0，那么光脈沖沿著光纖，便會(huì)向Z位置處傳輸，當(dāng)經(jīng)過n個(gè)壓力傳感區(qū)之后，于光脈沖注入端處，便可獲得后向散光功率P（Z），共公式可以表示為：

（2）

在此公式當(dāng)中，α所表示的是光纖對應(yīng)的衰減系數(shù)，單位為dB/km；η表示的是瑞利后向散射因子；而所表示的是第i個(gè)壓力調(diào)制區(qū)相應(yīng)前、后Z1點(diǎn)、Z2點(diǎn)的后向散射光功率P（Z1），用公式表示為：

（3）

（4）

將這個(gè)兩個(gè)公式融合在一起，便能得到如下公式：

（5）

對此，在相關(guān)操作中，僅需將Z1點(diǎn)與Z2點(diǎn)的瑞利后向散射光功率求出來，即P（z1）、P（z2），然后利用公式（5），便能得出αi的具體數(shù)值，借助于擾動(dòng)，產(chǎn)生前、后的αi，便能從中獲得應(yīng)力變化量為△P。

2 山體滑坡內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測方法分析

所謂滑坡，從根本上來講，就是在重力作用下，呈斜坡狀態(tài)的巖土體隨著其下方的軟弱面上所產(chǎn)生的剪切作用過程，而出現(xiàn)整體性運(yùn)動(dòng)的一種現(xiàn)象，所以，通過長期性或?qū)崟r(shí)性的監(jiān)測滑坡體內(nèi)的應(yīng)力分布情況，并對其變化趨向展開監(jiān)測與分析，能夠最終達(dá)到對山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警的目的。

取一根標(biāo)準(zhǔn)鋼管，對其進(jìn)行對稱開槽處理，然后在其中安裝敏感光線，在鋼管上，以一種合理方式固定好應(yīng)力傳感頭。于滑坡體上，實(shí)施鉆孔處理，另外，還需要對孔徑大小進(jìn)行合理控制，使其≥110mm，然后在孔內(nèi)置入事先準(zhǔn)備好的鋼管，在鋼管的周圍，用水泥砂漿實(shí)施回填操作，并進(jìn)行振動(dòng)、搗實(shí)處理，使鋼管與砂漿成為一個(gè)整體，以此來切實(shí)保障滑坡體內(nèi)應(yīng)力，可以始終作用于應(yīng)力傳感頭。于鋼管內(nèi)，可運(yùn)用鉆孔傾斜儀、機(jī)械-電子位移測量儀等，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成

針對監(jiān)測系統(tǒng)而言，其主要兩部分組成，其一為信號(hào)探測與處理系統(tǒng)，也就是OTDR，其二為應(yīng)力傳感調(diào)制器。針對微彎調(diào)制機(jī)構(gòu)來講（周期性的），其主要由兩部分組成，分別為定齒板與動(dòng)齒板，在兩板間放置敏感光纖。而對于動(dòng)齒板，則將其固定于彈膜片的中心位置處，而對于定齒板而言，則固定于剛性殼體的底座上。針對此時(shí)滑坡體所產(chǎn)生的應(yīng)力，可持續(xù)作用于彈膜片，使之產(chǎn)生應(yīng)變，不斷對動(dòng)齒板予以帶動(dòng)，帶動(dòng)形成一定持續(xù)的微彎擾動(dòng)，最終達(dá)到應(yīng)力調(diào)制的目的。對于應(yīng)力測量的具體范圍而言，起到?jīng)Q定因素的是彈膜片的厚度及大小，也就是利用彈膜片均布載荷的應(yīng)變計(jì)算公式，將應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算公式設(shè)定為0～15Mpa。另外，運(yùn)用OTDR技術(shù)，對應(yīng)力調(diào)制所產(chǎn)生的光纖微彎損耗進(jìn)行探測與定位，針對其光路部分而言，由探測器、光纖分路器、激光器、敏感光纖等組成。在具體的敏感光纖方面，則選用的是專門用于通信的單模光纖。在激光器方面，則采用的是半導(dǎo)體脈沖激光器；而對于探測器而言，運(yùn)用的是具有比較高靈敏度的PIN光電二極管。針對信號(hào)探測與處理系統(tǒng)而言，其主要由LCD顯示器、A/D轉(zhuǎn)換器、脈沖驅(qū)動(dòng)源、嵌入式CPU板及信號(hào)放大電路等組成。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對整個(gè)實(shí)驗(yàn)來講，所采用的是標(biāo)準(zhǔn)的1km光纖，而在光源方面，則選用的是半導(dǎo)體脈沖激光器（1.31um），輸出光的具體的脈沖功率為79mw。在設(shè)計(jì)光脈沖的寬度時(shí)，可以選擇的取值為100ns、20ns、10ns與50ns，如果所選值為20ns、10ns，那么都可以從中得到比較理想化、高質(zhì)量的瑞利后向散射信號(hào)，因而能夠切實(shí)保障2m的空間分辨率。

在針對信號(hào)所采用的光時(shí)域探測方法當(dāng)中，保障系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍以及其空間分辨率，乃是設(shè)計(jì)整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的核心所在。針對動(dòng)態(tài)范圍來講，其除了會(huì)對應(yīng)力測試點(diǎn)數(shù)造成影響之外，還會(huì)對每點(diǎn)應(yīng)力的具體測試范圍產(chǎn)生影響；而對于空間分辨率而言，其則會(huì)對敷設(shè)傳感頭相應(yīng)最小距離造成影響。因此，在設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程中，通過采取有效措施，降低光接收電路的接收靈敏度，或者是提高高光脈沖的相應(yīng)能量，均能使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍得到提高。針對激光器而言，如果其有著比較有限的輸出功率，一般情況下，通過對接收機(jī)電路進(jìn)行優(yōu)化，或者是對數(shù)字平均方法進(jìn)行優(yōu)化，同樣能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的提升。對于傳感器的相應(yīng)靈敏度而言，其一般會(huì)受到微彎調(diào)制機(jī)構(gòu)的齒數(shù)及空間周期的影響，依據(jù)模式耦合所持有的最佳周期，對微彎調(diào)制機(jī)構(gòu)相應(yīng)空間周期進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且根據(jù)實(shí)際需要，適當(dāng)增加變形區(qū)的長度，或者是齒數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)盈利傳感靈敏度的提升。

為了能夠更加準(zhǔn)確、全面的對滑坡體內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，特意根據(jù)實(shí)際情況及需要，進(jìn)行了有針對性的野外實(shí)驗(yàn)。于滑坡體相應(yīng)下滑方向，以鉆孔的方式，對此監(jiān)測系統(tǒng)予以敷設(shè)，而選擇坡面B、E兩方向處，用作具體的監(jiān)測工作，且配合開展了地下水位以及降雨量方面的監(jiān)測?；谒玫浇涤炅?、地下水位以及應(yīng)力分布的變化曲線，經(jīng)系統(tǒng)化分析得知，滑坡體的內(nèi)應(yīng)力變化曲線與降雨量的變化曲線、地下水位的曲線之間，有著較大程度的吻合，變化趨勢也比較相似，由此表明，地下水位、降雨量變大，此時(shí)的內(nèi)應(yīng)力同樣會(huì)隨著而變大，所以，運(yùn)用滑坡體內(nèi)應(yīng)力的監(jiān)測方法是準(zhǔn)確與可行的，適用性好。

5 結(jié)語

綜上，本文以光纖應(yīng)力傳感為基礎(chǔ)，探討了一種時(shí)下比較實(shí)用的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用滑坡內(nèi)部應(yīng)力的變化與分布來監(jiān)測山體滑坡預(yù)警。針對此方法而言，其有著比較高的測量靈敏度，另外，還能實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)監(jiān)測以及多點(diǎn)分布式測量，有著比較好的工程應(yīng)用性；還需指出的是，空間分辨率可借助于光纖繞組，或者是傳感頭的正反方向的交錯(cuò)排列，來深入提升?，F(xiàn)階段，此監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在長江三峽庫區(qū)中得到很好的應(yīng)用，此監(jiān)測系統(tǒng)除了能夠?qū)ι襟w滑坡進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測之外，還能用作民用工程設(shè)置的監(jiān)測，總體應(yīng)用效果佳。

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