新型巖土工程FBG測(cè)斜傳感器的開發(fā)與驗(yàn)證*

施令飛,洪成雨,魏顯虎*,張宗科,葉虎平

(1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100101;2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,廣東 深圳 518060; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4.中國(guó)科學(xué)院中-非聯(lián)合研究中心,武漢 430074; 5.中國(guó)-斯里蘭卡水技術(shù)研究與示范聯(lián)合中心,北京 100085)

巖土工程災(zāi)害的發(fā)生往往具有突然性,災(zāi)害發(fā)生前很少有預(yù)兆,所以巖土工程的災(zāi)害的發(fā)生往往會(huì)給人們帶來嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)威脅和損失[1-3]。于是對(duì)巖土工程項(xiàng)目的健康監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)測(cè)量是很重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的邊坡內(nèi)部測(cè)斜傳感器有移動(dòng)式和固定式,但在數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)受外界環(huán)境影響較大,會(huì)產(chǎn)生測(cè)量漂移。光纖布拉格光柵是一種應(yīng)力敏感元件[4],較其他傳感元件其具有尺寸小,容易聯(lián)網(wǎng),制作成本低,使用時(shí)間長(zhǎng),維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),于是光纖傳感器以其突出的優(yōu)點(diǎn)成為巖土工程智能監(jiān)測(cè)的首選傳感器[5-6]。但是目前常用的FBG傳感器有封裝成本高,內(nèi)部排線困難,光纖受外力容易壞等缺點(diǎn)而制約著FBG傳感器的廣泛使用。

3D打印作為快速成型技術(shù)的一種,具有許多優(yōu)點(diǎn):①產(chǎn)品可以快速建模。②制作產(chǎn)品的精度比較高。③大大降低傳感器的制作成本。本文提出利用3D打印的技術(shù)和FBG結(jié)合在一起以較低的成本生產(chǎn)測(cè)斜傳感器的主體部分,可以極大的提高傳感器的制作精度和制作效率[7-9]。

1 FBG測(cè)斜傳感器設(shè)計(jì)方案

邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí),部分坡體會(huì)發(fā)生細(xì)小的相對(duì)運(yùn)動(dòng),這樣就可以將坡體的水平形變量轉(zhuǎn)化為FBG傳感器的波長(zhǎng)漂移量。

基于埋入式FBG測(cè)斜傳感器的測(cè)量環(huán)境及測(cè)量原理,設(shè)計(jì)的測(cè)角儀如圖1所示,其主要部件是傳感器背板和和擺桿,傳感器背板上設(shè)有一個(gè)可自由滾動(dòng)的軸承和兩個(gè)傳感器固定柱。為了讓擺軸偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力能較好的傳遞給光纖光柵,在滾環(huán)上開一個(gè)深2 mm的溝環(huán),將FBG嵌入其中并固定。擺桿上端與軸承連接;兩個(gè)不同波長(zhǎng)的FBG傳感器預(yù)拉后,一端用強(qiáng)力膠水固定于軸承的頂部,另一端固定于兩個(gè)傳感器固定柱上;FBG傳感器的感應(yīng)部分置于傳感器固定柱與軸承之間,FBG傳感器的光纜通過光耦合器連接至電腦采集儀和寬帶光源。軸承和兩個(gè)傳感器固定柱呈等腰三角形布置。兩個(gè)傳感器固定柱上各設(shè)有1個(gè)內(nèi)孔,FBG傳感器另一端的光纖穿過所述內(nèi)孔并固定。傳感器背板及傳感器固定柱為3D一體打印成型。擺桿為3D打印成型[10]。通過傳感器背板隨被測(cè)平面傾斜導(dǎo)致擺桿轉(zhuǎn)動(dòng),引起FBG傳感器產(chǎn)生拉壓變形,進(jìn)而由拉壓變形反應(yīng)被測(cè)平面的傾斜角度。通過電腦采集儀采集FBG傳感器的波長(zhǎng)數(shù)據(jù),通過FBG傳感器波長(zhǎng)的變化來換算被測(cè)平面傾斜的角度。

圖1 FBG測(cè)斜傳感器模型的分解簡(jiǎn)圖

圖2左部為封裝好的FBG測(cè)斜傳感器,右圖為傳感器的各個(gè)部件,背板上的圓柱上可以套上軸承,并保證軸承能自由的轉(zhuǎn)動(dòng),軸承的外面又套上了擺體,擺體下部的兩端都掛上掛重以增加下部的重量增加擺動(dòng)靈敏性,蓋子是可以防止外部環(huán)境對(duì)傳感器造成的影響。

圖2 FBG測(cè)斜傳感器圖片

2 FBG測(cè)斜傳感器測(cè)量原理及標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

2.1 FBG測(cè)斜傳感器的測(cè)量原理

從圖3中可以看出,當(dāng)FBG測(cè)斜傳感器的背板傾斜時(shí)偏轉(zhuǎn)角度為α,設(shè)擺重的重量為W,Wp為W的分量。由于受力平衡,FL和FR相等,且兩力的合力需和擺體重力的分力互相抵消。所以當(dāng)傳感器向右側(cè)傾斜時(shí),左側(cè)的FBG受拉,右側(cè)的FBG受壓,。由于FBG對(duì)于受拉敏感且中心波長(zhǎng)的變化與拉力成線性關(guān)系[11],所以在測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度時(shí)都使用受拉側(cè)的FBG數(shù)據(jù)。

圖3 FBG測(cè)斜傳感器原理圖

根據(jù)力矩平衡原理[12],力矩平衡方程

FRr=FLr-Wsinαr

(1)

又有

FR=EεA

(2)

式中:E為光纖的彈性模量,A為光纖的截面積,ε為應(yīng)變。

(3)

式中:λ是光纖光柵的波長(zhǎng),Δλ是波長(zhǎng)的變化量。k是光纖光柵標(biāo)定的系數(shù)。將式(1)～式(3)合并,得到

(4)

2.2 FBG測(cè)斜傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

由于封裝材料和封裝工藝對(duì)FBG的影響,并且獲得FBG與測(cè)量指標(biāo)的關(guān)系,在實(shí)際使用前需要對(duì)封裝好的FBG傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn),測(cè)斜FBG傳感器的標(biāo)定平臺(tái)系統(tǒng)[13]如圖5所示。定制了一個(gè)角度控制測(cè)量?jī)x,可以偏轉(zhuǎn)固定的角度,測(cè)斜平臺(tái)的分辨率為1度。我們將封裝好的測(cè)斜傳感器通過光纖熔接器與黃色光纖信號(hào)線進(jìn)行熔接后在熔接處套上保護(hù)套,熔接的兩個(gè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)分別為1 535 nm和1 550 nm。將兩個(gè)光纖光柵熔接是為了將測(cè)量得到的反射波長(zhǎng)相減,這樣就可以消除溫度對(duì)光纖光柵的影響。后將傳感器與解調(diào)儀連接,在電腦上調(diào)好傳感器的參數(shù)后,記錄一下標(biāo)定試驗(yàn)開始的時(shí)間。然后將測(cè)斜傳感器放置在角度控制平臺(tái)上,將角度調(diào)到5°,看到電腦屏幕上的波形線有小幅擺動(dòng),靜置30 s后,再調(diào)到下一個(gè)角度,每次調(diào)整都增加5°,直到30°為止,然后再從30°的位置每次減小5°到恢復(fù)到水平位置,每次偏轉(zhuǎn)后傳感器保持姿態(tài)40 s左右。在這一過程中光纖解調(diào)儀每個(gè)1 s就記錄一次光纖光柵的中心波長(zhǎng)以及其變化量。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后我們將實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EXCEL中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 FBG測(cè)斜傳感器受拉與受壓波長(zhǎng)變化曲線對(duì)比圖

圖4表示的是標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中FBG傳感器從左向右傾斜時(shí)光纖光柵隨角度變化的波長(zhǎng)變化值,其中藍(lán)色線條表示的是受壓一側(cè)的光纖光柵隨角度變化的波長(zhǎng)變化值。粉紅色的線條代表受拉一側(cè)的光纖光柵隨角度變化的波長(zhǎng)變化值。由于光纖光柵具有對(duì)受拉比較敏感而對(duì)受壓不敏感的特性,因此標(biāo)定時(shí)主要看受拉側(cè)光纖光柵的數(shù)據(jù)?？梢钥闯鍪軌汗饫w成明顯的階梯狀分布,而且從中部成對(duì)稱分布,正好與實(shí)驗(yàn)流程反映一致。

圖5為中心波長(zhǎng)1 535 nm的光纖光柵傳感器隨傾斜角度的變化與其波長(zhǎng)變化量成線性趨勢(shì),線性相關(guān)系數(shù)為0.993 8。標(biāo)定方程公式為y=12.099x-66.323。角度每增加五度波長(zhǎng)變化量在60 pm左右?？梢园l(fā)現(xiàn)在傳感器傾斜到恢復(fù)的整個(gè)過程中,受壓側(cè)FBG波長(zhǎng)曲線呈現(xiàn)一個(gè)凹字形,因此標(biāo)定時(shí)主要看受壓側(cè)光纖光柵的數(shù)據(jù)。從圖中我們可以看出受拉光纖成明顯的階梯狀分布,而且從中部成對(duì)稱分布,正好與實(shí)驗(yàn)流程反映一致。受拉側(cè)光纖光柵中心波長(zhǎng)變化最小值在-75 pm左右,最高值在240 pm左右。

通過FBG測(cè)斜傳感器的傾斜標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,設(shè)計(jì)的傳感器封裝成功,偏轉(zhuǎn)角度與FBG受拉側(cè)波長(zhǎng)變化呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。

圖5 FBG測(cè)斜傳感器受拉側(cè)波長(zhǎng)變化圖

圖6 小型邊坡模型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 基于新型FBG測(cè)斜傳感器的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該模擬邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖6所示,將測(cè)斜傳感器用膠帶綁在一根鐵棒上,再將鐵棒插到模擬邊坡中。插入時(shí)應(yīng)保證鐵棒處于豎直狀態(tài)。傳感器埋設(shè)好后,在電腦上連接路由器,進(jìn)入解調(diào)儀的系統(tǒng)將傳感器匹配好,當(dāng)通過解調(diào)儀看到波形顯示的屏幕上有兩個(gè)波峰是就說明有傳感器連接成功,測(cè)斜傳感器的中心波長(zhǎng)為1 550 pm和1 535 pm。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段。本次實(shí)驗(yàn)的模型箱為玻璃鋼實(shí)驗(yàn)箱,試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞拈L(zhǎng)為600 mm,寬為390 mm,高為315 mm。準(zhǔn)備了與模型箱相匹配的3個(gè)尺寸相同的塑料泡沫板,泡沫板疊合在一起是邊坡的形狀。制作邊坡的砂為標(biāo)準(zhǔn)砂,砂的級(jí)配良好。還需要準(zhǔn)備足夠的重塊,由于每次加載的重量是 5 kg。為了使得每次加載的重量能夠均勻的加載到邊坡的上部,所以加載時(shí)需要加一個(gè)墊板,墊板的尺寸與邊坡上部的尺寸相同[14]。因?yàn)楣饫w光柵傳感器接到解調(diào)儀并匹配好以后,解調(diào)儀就會(huì)以 1 s 為周期發(fā)射光線到光纖通道中,并接收傳回來的反射光并分析反射光與出射光之間的差別進(jìn)而得到反射光的波長(zhǎng)。解調(diào)儀會(huì)將反射光波長(zhǎng)及反射光與光纖光柵中心波長(zhǎng)的差值記錄下來,所以需要準(zhǔn)備一個(gè)計(jì)時(shí)器并記下實(shí)驗(yàn)開始的時(shí)間,這樣當(dāng)處理數(shù)據(jù)時(shí),可以將加載前的數(shù)據(jù)過濾掉以免影響數(shù)據(jù)分析[15]。

實(shí)驗(yàn)開始后將事先準(zhǔn)備的重塊迅速加到邊坡上部5 kg,然后靜置5 min,等到傳感器的波長(zhǎng)變化穩(wěn)定后記下此時(shí)加載的重量和時(shí)間。然后將加載重量加到10 kg,再靜置5 min。然后按照以上步驟重復(fù)進(jìn)行逐級(jí)加載,直到加載到45 kg為止。每次加載后都應(yīng)該關(guān)注模擬邊坡的狀態(tài),邊坡是否有裂縫,邊坡是否破壞。重塊應(yīng)該放在邊坡的中部,以使得重塊傳遞的力均勻的傳遞下去。然后通過傳感器接受邊坡上部傳來的壓力以及側(cè)向的力。

圖7 測(cè)斜受拉傳感器FBG波長(zhǎng)變化

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7和圖8為測(cè)斜受拉和受壓傳感器FBG波長(zhǎng)隨上部加載變化的關(guān)系曲線圖,其中受拉側(cè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)為1 535 348 pm,受壓側(cè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)為1 549 791 pm。從上面兩圖中可以發(fā)現(xiàn)。隨著邊坡上部荷載的逐級(jí)增加,每一級(jí)加載后測(cè)斜傳感器的受拉側(cè)光纖光柵與受壓側(cè)光纖光柵的波長(zhǎng)都呈現(xiàn)出逐級(jí)周期性分布的特征,其中受拉側(cè)光纖光柵呈現(xiàn)逐級(jí)遞增的趨勢(shì),每增加一級(jí)荷載波長(zhǎng)大概增加8 pm。受壓光纖光柵呈現(xiàn)逐級(jí)遞減的趨勢(shì)也在8 pm左右。當(dāng)邊坡的加載重量從0 kg到20 kg時(shí)測(cè)斜傳感器波長(zhǎng)變化不明顯,這里就將其波長(zhǎng)變化設(shè)為0。

圖8 測(cè)斜傳感器受壓FBG波長(zhǎng)變化

加載重量/kg波長(zhǎng)變化/pm501001502002583015352340314539

在做測(cè)斜傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)得出的結(jié)論是,測(cè)斜傳感器受拉側(cè)比受壓側(cè)對(duì)傾斜測(cè)量更加敏感,所以在邊坡傾斜側(cè)量實(shí)驗(yàn)中我們選擇使用測(cè)斜傳感器受拉測(cè)的數(shù)據(jù)來測(cè)量此時(shí)傳感器的傾斜角度。

在測(cè)斜傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中,得到的角度變化與波長(zhǎng)變化的關(guān)系式為轉(zhuǎn)變一下x與y的關(guān)系得到y(tǒng)=0.082 8x+6.797。將上式代入表1中,得到下面的計(jì)算結(jié)果。在做測(cè)斜傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)得出的結(jié)論是,測(cè)斜傳感器受拉側(cè)比受壓側(cè)對(duì)傾斜測(cè)量更加敏感,所以在邊坡傾斜側(cè)量實(shí)驗(yàn)中我們選擇使用測(cè)斜傳感器受拉測(cè)的數(shù)據(jù)來測(cè)量此時(shí)傳感器的傾斜角度。

表2 測(cè)斜傳感器加載重量與偏轉(zhuǎn)角度對(duì)照表

從圖9中可以觀察出,加載重量從0 kg到 20 kg 的階段時(shí),測(cè)斜傳感器的波長(zhǎng)變化不明顯,說明此時(shí)土體沒有發(fā)生明顯位移。而當(dāng)加載重量為 25 kg 時(shí),可以發(fā)現(xiàn)測(cè)斜傳感器的波長(zhǎng)增加了8 pm,所以經(jīng)過計(jì)算的傾斜角度有一個(gè)很大的增加幅度。土體內(nèi)部進(jìn)入活躍狀態(tài),以后再加載時(shí)可以發(fā)現(xiàn)測(cè)斜傳感器的斜率呈現(xiàn)增加狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)波長(zhǎng)增加了39 pm,經(jīng)過計(jì)算,加載重量從25 kg到45 kg時(shí),傳感器的傾斜角度從6.79°增加到10.94°。可以發(fā)現(xiàn)隨著加載重量的增加,測(cè)斜傳感器傾斜的速率越來越快,說明加載超過25 kg后土體進(jìn)入破壞狀態(tài)。

圖9 加載重量與傾斜角度關(guān)系圖

4 邊坡加載建模實(shí)驗(yàn)

4.1 物理模型

本文研究的模擬邊坡模型長(zhǎng)600 mm,寬390 mm,高390 mm。采用GEO-studio軟件的SIGMA/W模塊建立邊坡的軟件模型。在模型中,共設(shè)置9種工況,即加載5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、25 kg、30 kg、35 kg、40 kg、45 kg。邊坡材料為標(biāo)準(zhǔn)砂,重度為18.5 kN/m3,彈性模量為20 000 kPa,泊松比為 0.35,在邊坡的底部和左右面都設(shè)置了約束,使得加載過程中邊坡在這幾個(gè)方向上不發(fā)生位移。其邊坡模型如圖所示。SIGMA/W是巖土工程中應(yīng)力和變形分析軟件,SIGMA/W具有適用于各種復(fù)雜情況的本構(gòu)模型公式,所以SIGMA/W可以對(duì)一般巖土問題進(jìn)行分析,也可以對(duì)一些復(fù)雜的巖土問題,例如線性彈塑性、非線性彈塑性、非線性等進(jìn)行分析,許多經(jīng)典的土體模型都能對(duì)土體的各種參數(shù)或結(jié)構(gòu)材料參數(shù)例如彈性模量、重度等進(jìn)行設(shè)置并建模分析。

4.2 邊坡變形特性分析

這9種工況中可以看出,最大的水平位移都位于加載位置下方10 cm到15 cm的一個(gè)圓形的區(qū)域,且位移等值線的分布在加載的上部比較密集,說明上部應(yīng)力變化比較大,經(jīng)過應(yīng)力最大的區(qū)域后應(yīng)力的分布變比較平緩。

圖10 邊坡加載水平云圖

根據(jù)測(cè)斜傳感器安裝與放置方式,選擇坐標(biāo)為(21.364,26.668)為位移測(cè)量點(diǎn),測(cè)得其水平位移x,y為綁扎測(cè)斜傳感器的長(zhǎng)桿插入邊坡的深度,α為測(cè)斜傳感器傾斜的角度。通過公式

(5)

就可以算出此時(shí)傳感器傾斜的角度,然后與之前用公式計(jì)算的角度進(jìn)行對(duì)比,就可評(píng)估之前反演的效果。

表3 加載重量與測(cè)量點(diǎn)水平位移關(guān)系表

將上面的位移數(shù)據(jù)代入式(5)中,y取240 mm,求出對(duì)應(yīng)的傾角,如表4所示。

表4 加載重量與傾斜角度關(guān)系表

將以上計(jì)算結(jié)果與之前用傳感器標(biāo)定公式計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較,。就可以評(píng)價(jià)用反演公式計(jì)算的結(jié)果。由于測(cè)量過程中從5 kg到15 kg階段傳感器的波長(zhǎng)沒有變化,且傳感器放置時(shí)便有細(xì)微傾斜,此處將誤差略去,認(rèn)為偏轉(zhuǎn)角度為零。

在圖11中,紅色的正方形表示是用GEO-studio軟件模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)得的水平位移反演出的FBG測(cè)斜傳感器的傾角,藍(lán)色的正方形表示按照測(cè)斜傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)反演公式計(jì)算得到的數(shù)據(jù)。從比較看出,兩種計(jì)算方法得到的數(shù)據(jù)匹配得比較好,尤其是當(dāng)加載重量為30 kg和35 kg時(shí),相差很小。說明用傳感器標(biāo)定的公式反演傾斜角度具有很好的可靠性。當(dāng)加載重量小于35 kg時(shí),模型計(jì)算出的角度比公式計(jì)算的角度偏小,這是因?yàn)橹凹虞d時(shí)土體沒有進(jìn)入活躍狀態(tài),加載重量為35 kg時(shí),兩種方法計(jì)算的結(jié)果十分相近。加載重量超過35 kg后,模型計(jì)算出的角度就超過了公式計(jì)算的角度。還可以發(fā)現(xiàn),兩種方法算出的數(shù)據(jù)曲線,都有相同的趨勢(shì),即隨著加載重量的增加,曲線的斜率也在增加。說明在加載過程中,邊坡不斷的受到擠壓,當(dāng)加載重量達(dá)到35 kg后,邊坡發(fā)生了一定程度的破壞,荷載增加時(shí),土體偏轉(zhuǎn)的角度增加。

圖11 FBG測(cè)斜傳感器反演比較

5 結(jié)論

①本文針對(duì)傳統(tǒng)巖土工程的測(cè)斜儀的很多缺點(diǎn),創(chuàng)新的提出的FBG測(cè)斜傳感器的測(cè)斜原理介紹了一種嵌入3D打印材料內(nèi)部并完成封裝的FBG測(cè)斜傳感器設(shè)計(jì)方法和封裝方法。并成功的對(duì)FBG傳感器進(jìn)行了封裝。設(shè)計(jì)的傳感器通過設(shè)置并行FBG的方式解決了溫度對(duì)傳統(tǒng)FBG傳感器測(cè)量的影響。

②對(duì)設(shè)計(jì)的傳感器做標(biāo)定實(shí)驗(yàn),得到角度與FBG波長(zhǎng)具有線性關(guān)系。根據(jù)FBG波長(zhǎng)變化與應(yīng)變之間的線性關(guān)系求得待測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變,再通過力矩平衡原理監(jiān)測(cè)邊坡的實(shí)時(shí)傾斜角度。室內(nèi)小型邊坡多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,邊坡進(jìn)入活躍狀態(tài)后每次加載過程中,傳感器波長(zhǎng)呈現(xiàn)階梯型上升的趨勢(shì)。加載20 kg以后,每次加載使得傳感器波長(zhǎng)變化8 pm左右。偏轉(zhuǎn)敏感性為11.23 pm每度,說明測(cè)斜傳感器在邊坡中有比較好的穩(wěn)定性。

③將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與GEO-studio軟件的模擬加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比分析,分析說明兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果符合效果優(yōu)良且重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。說明該新型FBG測(cè)斜傳感器可以與波長(zhǎng)接收設(shè)備一起共同組成對(duì)巖土邊坡變形的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。