李 貝，張大偉，李公法，郭永興，孫 瑛，孔建益，蔣國璋

(1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海,201600)

?

基于FBG傾角傳感器的分布式測斜技術(shù)及其在邊坡抗滑樁中的應(yīng)用研究

李 貝，張大偉，李公法，郭永興，孫 瑛，孔建益，蔣國璋

(1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海,201600)

提出一種基于新型測斜管和FBG傾角傳感器的新型分布式測斜方法。該方法采用柔性變形管與PVC剛性管相連接的改進(jìn)型測斜管，選取具有增敏結(jié)構(gòu)的新型FBG傾角傳感器作為分布式測斜裝置的高精度傳感器，并利用光纖光柵溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償傳感器。在邊坡抗滑樁中的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，基于FBG傾角傳感器的新型分布式測斜技術(shù)在工程應(yīng)用中具有有效性，并可成功解決測量中的溫度補(bǔ)償問題。

邊坡工程；測斜；光纖Bragg光柵(FBG)；傾角傳感器；抗滑樁

對邊坡內(nèi)部變形實(shí)施長期、實(shí)時(shí)的監(jiān)測，掌握其內(nèi)部變形規(guī)律，在邊坡地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防中有著十分重要的意義。傾斜測量是邊坡監(jiān)測中一種常用的方法。傳統(tǒng)的傾斜測量大多采用剛性管埋入被測邊坡，通過剛性管內(nèi)部安置的傳感器周期性地獲取邊坡的變形數(shù)據(jù)。這種方法采用的剛性管存在制作成本高、內(nèi)部傳感器安裝排布困難、不能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等問題，因此有必要對其進(jìn)行改進(jìn)。

傳統(tǒng)的傾斜測量裝置中采用的傾角傳感器是以電磁效應(yīng)、電容效應(yīng)[1]等為基本原理，將擺錘的傾斜變形轉(zhuǎn)換為電信號的輸出，其技術(shù)較為成熟，可達(dá)到較高的精度與分辨率。然而這種弱電形式的傳感器輸出信號極易受到電磁干擾的影響，不可遠(yuǎn)距離傳輸，存在惡劣環(huán)境下的適用性問題?；诠饫w光柵傳感技術(shù)的傾斜測量依托光纖光柵自身抗電磁干擾性強(qiáng)、可靠性好、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、易構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)越特性，在邊坡傾斜測量中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2-4]。Bimis等[5]將光纖光柵傳感技術(shù)用于邊坡的室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測，取得了較好的效果。胡志新、陳朋超等[6-7]通過將光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)粘貼在測斜管內(nèi)研制了新型應(yīng)變管，完善了基于光纖光柵傳感原理的相關(guān)邊坡測斜系統(tǒng)，通過使用傳統(tǒng)測斜儀進(jìn)行對照監(jiān)測，結(jié)果表明基于FBG的測斜技術(shù)相比傳統(tǒng)傾斜測量有更好的效果。

本文設(shè)計(jì)一種新型測斜管，同時(shí)選用合適的FBG傾角傳感器，構(gòu)建了新型的分布式測斜方法，并將其應(yīng)用于邊坡抗滑樁中，以驗(yàn)證該方法在工程應(yīng)用中的有效性。

1 基于FBG傾角傳感器的新型分布式測斜方法

1.1 測斜裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

邊坡內(nèi)部的傾斜測量，主要是將邊坡內(nèi)部沿深度方向不同深度處水平位移的形變量轉(zhuǎn)化為光纖光柵的波長漂移。

基于FBG傾角傳感器的新型分布式測斜裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。整個(gè)測斜系統(tǒng)主要由柔性變形管、PVC剛性管、FBG傾角傳感器和FBG溫度補(bǔ)償傳感器組成。將柔性變形管與PVC剛性管通過螺栓聯(lián)結(jié)在一起，形成剛?cè)嵯嚅g的新型測斜管。多個(gè)FBG傾角傳感器和FBG溫度補(bǔ)償傳感器分別串接后一一配對，通過螺栓固定在柔性變形管內(nèi)部，在最上方的管口處引入和引出光纜。最底部的第一段PVC管作為固定端固定在邊坡底部，其上方的第一個(gè)柔性變形管內(nèi)不布置傳感器，從底部起第二個(gè)柔性變形管上開始布置傳感器。

當(dāng)邊坡內(nèi)部發(fā)生位移形變時(shí)，柔性變形管作為主要的彎曲受力體，其內(nèi)部的FBG傾角傳感器測量出柔性變形管由于彎曲帶來的角度變化值，從而直接反映出外界邊坡的形變情況，改變了傳統(tǒng)的將FBG傳感器直接粘貼在聯(lián)接體上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以避免光柵由于應(yīng)變分布不均導(dǎo)致光譜啁啾或應(yīng)變過大導(dǎo)致光柵被拉斷。同時(shí)，每一個(gè)FBG傾角傳感器都配備有一個(gè)FBG溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以提高整體的測量精確度。最后通過從外部連接的光纖光柵波長解調(diào)儀讀取FBG傾角傳感器的波長變化情況，反推出測斜裝置角度的整體變化情況，即可計(jì)算出邊坡內(nèi)部整體變形分布情況。

圖1 基于FBG傾角傳感器的分布式測斜裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of structure of FBG tilt sensor-based distributed inclination device

1.2 FBG傾角傳感器的選擇

由于本文提出的分布式測斜方法是基于柔性變形管的變形所得出的結(jié)果，需要較為精確地測量出柔性變形管的角度變化，才能保證最后邊坡變形分布預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要選擇一種適合這種測斜方法的高精度傾角傳感器。

圖2所示為目前常見的幾種FBG傾角傳感器。Ferdinand等[8]將3個(gè)FBG對稱地張拉在固定端和擺錘之間(見圖2(a))，當(dāng)傾角發(fā)生變化時(shí)光纖光柵會(huì)伸長或縮短，拉力的變化會(huì)導(dǎo)致光纖光柵的波長發(fā)生變化，從而可以通過測量3根光纖光柵的中心波長變化來計(jì)算傾角的變化。Dong等[9]將3個(gè)FBG分別預(yù)拉后粘貼在3個(gè)等強(qiáng)度梁上，將一個(gè)圓心固定的帶擺錘的圓盤通過3根線懸掛在等強(qiáng)度梁下方(見圖2(b))，當(dāng)外界角度發(fā)生變化時(shí)，圓盤的擺動(dòng)會(huì)使3個(gè)FBG發(fā)生不同程度的拉力變化，通過計(jì)算3根光纖光柵的中心波長變化即可推導(dǎo)傾角的大小與方向變化。Chen等[10]將鐵球與預(yù)拉后的光纖光柵直接相連并封裝在鋁盒中(見圖2(c))，當(dāng)傾角變化時(shí)，鋁盒內(nèi)的鐵球由于重力作用會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，一端FBG的拉伸增加，另一端FBG的拉伸減小，進(jìn)而通過測量2根光纖光柵中心波長的變化量計(jì)算出傾角的變化量。

以上3種FBG傾角傳感器都是將FBG直接或間接地懸掛拉伸，光纖光柵長時(shí)間處于懸空的拉伸繃緊狀態(tài)，沒有得到很好的封裝和保護(hù)，很容易受潮脆裂，當(dāng)瞬時(shí)傾斜較大時(shí)極易導(dǎo)致其拉斷。為此，章易坤等[11]將一根FBG經(jīng)預(yù)拉伸后，兩端的光纖固定于凸臺上，刻有光柵的部分位于凸臺之間并將重物分割為兩部分分別粘貼固定于梁的正反面(見圖2(d))，當(dāng)傳感器發(fā)生角度變化時(shí)，由于重物的重力作用，將帶動(dòng)梁的彎曲，凸臺上被張拉的光纖光柵受到的拉力將增大或者減小，進(jìn)而改變光纖光柵反射的中心波長。這種利用等強(qiáng)度梁設(shè)計(jì)的增敏式傾角傳感器在量程、靈敏度、重復(fù)性以及蠕變性能上都有很大的優(yōu)勢。為此，本文提出的新型分布式測斜裝置中即選用這種增敏式傾角傳感器。

(a) (b)

(c) (d)

圖2 幾種不同結(jié)構(gòu)的FBG傾角傳感器

Fig.2 FBG tilt sensors with different structures

1.3 邊坡整體變形的推導(dǎo)

新型分布式測斜裝置測量邊坡整體變形的工作原理簡圖如圖3所示。整個(gè)測斜裝置共使用i個(gè)FBG傳感器、i+1個(gè)長度可忽略不計(jì)的柔性變形管和i+1個(gè)長度為L的PVC管。假設(shè)第i+1段柔性變形管彎曲變形帶來的傾角變化為θi，則第i+1段 PVC管頂端的變形位移為：

Di=d1+d2+…+di=

L(sin θ1+sin θ2+…+sin θi)

式中：di為第i+1段PVC管的個(gè)體變形位移，Di為包括i+1段的所有PVC管的整體變形位移。

這樣即可得到每個(gè)安裝FBG傾角傳感器的測點(diǎn)的變形位移，由此繪制出測斜管的水平位移隨深度的變化曲線，從而掌握邊坡內(nèi)部的位移變化情況。

圖3 新型測斜裝置工作原理簡圖

Fig.3 Working principle diagram of the new-type inclino-meter device

2 FBG分布式測斜技術(shù)在邊坡抗滑樁中的應(yīng)用

2.1 工程概況

圖4所示為永吉高速公路某段邊坡的實(shí)地照片。由于附近山體土質(zhì)松軟，為了防止開山修路對山體造成較大的影響，故需要在邊坡上修建抗滑樁來減緩山體的運(yùn)動(dòng)。為對邊坡實(shí)施監(jiān)測，將基于FBG的分布式測斜裝置安裝在邊坡抗滑樁內(nèi)部，實(shí)時(shí)監(jiān)測抗滑樁的變形情況，從而對邊坡的整體變形作出預(yù)測和判斷。

圖4 永吉高速古丈段邊坡照片

Fig.4 Photo of the slope in Guzhang section of Yongzhou-Jishou Highway

2.2 抗滑樁內(nèi)測斜裝置的布置與安裝

首先將FBG傾角傳感器和FBG溫度補(bǔ)償傳感器分別串聯(lián)后一一配對固定在傳感器外殼中(見圖5)，在地面上將其固定在柔性變形管中，其余部分的安裝在抗滑樁深井內(nèi)完成。

圖5 安裝完成的傳感器單元體

由于抗滑樁深度較大(33 m)，故將PVC管用繩索一根一根地放入抗滑樁，與柔性變形管交替安裝。PVC管用鐵絲固定在抗滑樁內(nèi)的鋼筋上，柔性變形管套在PVC管內(nèi)部?？够瑯秲?nèi)測斜裝置的整體布置圖如圖6所示。

圖6 抗滑樁內(nèi)測斜裝置的布置圖

Fig.6 Arrangement of the inclinometer device in anti-sliding pile

在所有的裝置都安裝完畢后，使用紅光筆確認(rèn)光纖的完整程度，若在光纖尾端可以看到紅光筆的光線，則確認(rèn)其結(jié)構(gòu)良好。整個(gè)測斜裝置安裝后，需要在抗滑樁內(nèi)灌漿，使測斜裝置與巖體緊密結(jié)合以保證測量精度。安裝完畢，將管口的引入光纖和引出光纖連接外部的光纖光柵波長解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)讀取每個(gè)FBG的波長。測斜裝置的信號獲取過程如圖7所示。

由于這種光纖光柵傾角傳感器的蠕變性能良好，可以根據(jù)光纖光柵波長解調(diào)儀獲取波長變化情況，通過計(jì)算機(jī)對波長分析可知，波長的變化值在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，取其波動(dòng)變化的平均值。各傳感器光柵陣列的光譜分別如圖8和圖9所示。

圖7 信號獲取過程

圖8 傾角傳感器的16個(gè)光柵陣列的光譜

Fig.8 Spectrums of 16 grating arrays in optical fiber grating tilt sensor

圖9 溫度傳感器的16個(gè)光柵陣列的光譜

Fig.9 Spectrums of 16 grating arrays in optical fiber grating temperature sensor

2.3 監(jiān)測結(jié)果與分析

采用基于FBG傾角傳感器的分布式測斜裝置對邊坡不同深度處的水平位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)為邊坡在深度-1～-33 m(步長為2 m)的水平位移量，由于深度為-33 m處的測斜管固定在邊坡上，故其水平變形量為0 mm，其他數(shù)據(jù)都以其為基準(zhǔn)，水平位移量為正時(shí)，表示此處邊坡向下滑移。圖10所示為在2015年11月6日、2015年12月1日、2015年12月8日和2016年1月7日所測得的邊坡位移的變化曲線。由圖10中可以看出，邊坡表層0～-9 m出現(xiàn)了正的水平位移，表明此處邊坡出現(xiàn)了滑移。該監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況相一致，表明本文提出的測斜方法具有有效性。監(jiān)測數(shù)據(jù)中，在深度為-5 m處，2015年11月6日監(jiān)測獲得正的水平位移，而在2015年12月1日、2015年12月8日以及2016年1月7日監(jiān)測獲得負(fù)的水平位移，這可能是由于測量初期混凝土收縮導(dǎo)致的。在深度為-23 m處出現(xiàn)了水平位移量的異常點(diǎn)，異常在2015年12月1日、2015年12月8日的兩次監(jiān)測中出現(xiàn)，但是在2016年1月7日測試后又恢復(fù)正常，監(jiān)測過程中此處的形變量較大，產(chǎn)生的原因還有待進(jìn)一步的監(jiān)測。綜上所述，利用這種改進(jìn)型的測斜管進(jìn)行傾斜測量時(shí)，可以有效地監(jiān)測到邊坡內(nèi)部不同深度的位移量，從而更加清楚地了解邊坡內(nèi)部的變化情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖10 光纖光柵傾角傳感器測得的邊坡位移變化曲線

Fig.10 Variation curve of the slope displacement measured by FBG tilt sensor

3 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)的光纖光柵測量方法中剛性管制作成本高、內(nèi)部傳感器安裝排布困難以及不能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等問題對傳統(tǒng)的光纖光柵測斜裝置進(jìn)行了改進(jìn)，利用光纖光柵傾角傳感器的原理和邊坡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型測斜管，構(gòu)建了分布式測斜方法，并將其應(yīng)用于邊坡抗滑樁中，對邊坡內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，成功地監(jiān)測到了邊坡內(nèi)部不同深度處的位移量及邊坡滑移位置，與現(xiàn)場實(shí)際情況相一致，驗(yàn)證了基于FBG傾角傳感器的分布式測斜技術(shù)在邊坡測斜中的有效性。

[1] Somlor S,Schmitz A,Hartanto R S, et al. First results of tilted capacitive sensors to detect shear force[J]. Procedia Computer Science, 2015, 76:101-106.

[2] 徐國權(quán)，熊代余. 光纖光柵傳感技術(shù)在工程中的應(yīng)用[J]. 中國光學(xué)，2013(3):306-317.

[3] 譚憶秋，王海朋，馬韶軍，等. 基于光纖光柵傳感技術(shù)的瀝青路面壓實(shí)監(jiān)測[J]. 中國公路學(xué)報(bào)，2014, 27(5):113-117.

[4] 孫詩惠，余有龍，李慧，等. 基于光纖光柵的應(yīng)力波檢測技術(shù)研究[J]. 中國激光，2016, 43(5):1-6.

[5] Bimis A,Karalekas D,Bouropoulos N, et al. Monitoring of hardening and hygroscopic induced strains in a calcium phosphate bone cement using FBG sensor [J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2016, 60:195-202.

[6] 胡志新，馬云賓，譚東杰，等．基于光纖光柵傳感的管道滑坡監(jiān)測方法研究[J]．光子學(xué)報(bào)，2010, 39(1):33-36.

[7] 陳朋超，李俊，劉建平，等．光纖光柵埋地管道滑坡區(qū)監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2010, 32(6):897-902.

[8] Ferdinand P, Rougeault S. Optical fiber bragg grating inclinometry for smart civil engineering and public works[J]. Proceedings of SPIE,the International Society for Optical Engineering, 2000, 4185:13-16.

[9] Dong X Y,Zhan C L,Hu K,et al.Temperature-insensitive tilt sensor with strain-chirped fiber bragg gratings[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2005, 17(11):2394-2396.

[10]Chen H J ,Wang L,Liu W F. Temperature-insensitive fiber Bragg grating tilt sensor[J]. Applied Optics, 2008, 47(4):556-560.

[11]章易坤，郭永興，李公法. 一種增敏結(jié)構(gòu)的FBG傾角傳感器研究[J]. 光電子·激光，2016, 27(3):253-258.

[責(zé)任編輯 鄭淑芳]

Research of distributed inclination survey technology and its application inslope anti-sliding pile based on FBG tilt sensor

LiBei1,ZhangDawei2,LiGongfa1,GuoYongxing1,SunYing1,KongJianyi1,JiangGuozhang1

(1.College of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;2. Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China)

In order to resolve the error of traditional FBG measurement, a new distributed inclination method that is based on new-type inclination tube and fiber Bragg grating (FBG) tilt sensor is proposed. The method uses improved inclination tube whose flexible deformation tube is connected to the PVC rigid tube. A new FBG tilt sensor with enhanced sensitivity structure is chosen as the high precision tilt sensor of the distributed inclination technology, and the fiber grating temperature sensor is used as the temperature compensation sensor. The application of the technology in the slope anti-sliding pile shows that this FBG inclination sensor-based technology is feasible and effective in engineering, and can successfully solve the problem of temperature compensation in the measurement.

slope engineering; inclination survey; FBG; tilt sensor; anti-sliding pile

2016-07-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51605348，51575407)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M572209).

李 貝(1990-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail:1198413210@qq.com

李公法(1979-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士.E-mail:ligongfa@wust.edu.cn

TP212.9; U213.1+3

A

1674-3644(2016)06-0450-05