龔冬梅, 孫小芳, 何惠如, 王燕瓊

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 福建 廈門 361021)

光纖傳感技術(shù)在很多工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,而分布式光纖傳感系統(tǒng)[1-4]是研究最多的光纖傳感技術(shù),比如應(yīng)用于橋梁、建筑、水利工程和崩塌滑坡巖土災(zāi)害的安全監(jiān)測(cè)[5-9]。但現(xiàn)有光纖傳感技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在與工程應(yīng)用相脫節(jié)的現(xiàn)象,教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器主要集中在基本原理的驗(yàn)證方面,不能進(jìn)行工程應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)。為此,本文開發(fā)了分布式光纖微彎傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可用于工程結(jié)構(gòu)破壞監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)和教學(xué)。

光時(shí)域反射儀(OTDR)是利用光脈沖在光纖中傳輸時(shí)的瑞利散射和菲涅爾反射而制成的精密光電一體化儀表,它被廣泛應(yīng)用于光纜線路的維護(hù)、施工之中,可進(jìn)行光纖長(zhǎng)度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以O(shè)TDR為主要儀器,結(jié)合巖土工程應(yīng)用,設(shè)計(jì)了混凝土路面塌陷監(jiān)測(cè)、崩塌滑坡巖土災(zāi)害監(jiān)測(cè)2個(gè)巖土工程應(yīng)用項(xiàng)目。光纖微彎傳感系統(tǒng)可檢測(cè)模擬建筑墻體的下沉位移量和巖土滑坡引起的局部位移量,并可同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)多傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),具有明顯工程應(yīng)用特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將光纖傳感技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)踐搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,提高了學(xué)生應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)的能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

分布式光纖微彎傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)是: 應(yīng)用OTDR的分布式光纖衰減測(cè)量功能,采用光纖微彎傳感器對(duì)巖土工程結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)[10-13],得到結(jié)構(gòu)的局部破壞位移量。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可模擬混凝土路面塌陷監(jiān)測(cè)、崩塌滑坡巖土災(zāi)害監(jiān)測(cè)2個(gè)工程應(yīng)用項(xiàng)目。工程結(jié)構(gòu)破壞通過(guò)底部抽板形成局部塌陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn),改變抽板厚度使結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生不同局部位移,位移量通過(guò)光纖微彎傳感器檢測(cè)。

分布式光纖傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由OTDR、光纖傳感器、巖土結(jié)構(gòu)體、標(biāo)準(zhǔn)光纖、延時(shí)光纖、尾纖、重物、抽板和計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)光纖、延時(shí)光纖、尾纖以及光纖傳感器所用光纖均為漸變型多模光纖(GIF)。分布式光纖傳感采用多傳感器串聯(lián)檢測(cè)方法,可以在一條光纖上串聯(lián)多個(gè)光纖傳感器,圖1中串聯(lián)了2個(gè)光纖傳感器,即光纖傳感器1#和光纖傳感器2#。OTDR與光纖傳感器1#之間采用一定長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)光纖過(guò)渡,以免受光纖入射端面的反射光影響。光纖傳感器1#與光纖傳感器2#之間設(shè)置一段延時(shí)光纖,使2個(gè)傳感器可以分別測(cè)量不同位置的巖土結(jié)構(gòu)形變,并且在OTDR顯示曲線中可以分開識(shí)別。光纖傳感器2#的后端接入一定長(zhǎng)度的尾纖,可以減小光纖末端端面的反射光影響。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以只用1個(gè)光纖傳感器單點(diǎn)監(jiān)測(cè),也可以將多個(gè)光纖傳感器用延時(shí)光纖串聯(lián)起來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖1 分布式光纖傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中的巖土結(jié)構(gòu)體是指進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而模擬的工程結(jié)構(gòu)體,系統(tǒng)配置了混凝土路面和巖土山坡2個(gè)巖土結(jié)構(gòu)體。模擬工程結(jié)構(gòu)破壞程度是通過(guò)圖1中的抽板厚度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。重物用于研究巖土結(jié)構(gòu)體的承重能力。計(jì)算機(jī)用于處理OTDR檢測(cè)到的光衰減數(shù)據(jù),通過(guò)建立光衰減量與工程結(jié)構(gòu)形變量的關(guān)系,采用軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

2.1 光纖傳感器

光纖傳感器采用套管式微彎傳感器,如圖2所示。套管為金屬材料,光纖為帶尼龍護(hù)套(外徑0.9 mm)的多模光纖。將多個(gè)金屬套管串聯(lián)形成套管鏈條,光纖從套管鏈條軸線上穿過(guò)。當(dāng)套管鏈條局部受到外部壓力時(shí)產(chǎn)生局部移位,其內(nèi)的光纖就產(chǎn)生微彎變形,出現(xiàn)微彎衰減,成為光纖微彎傳感器。將套管鏈條埋設(shè)于巖土結(jié)構(gòu)體中,初始狀態(tài)盡量使套管與套管之間形成一條直線,此時(shí)光纖傳感器沒有衰減。當(dāng)結(jié)構(gòu)體變形時(shí),將引起套管的位移,使光纖產(chǎn)生微彎衰減。結(jié)構(gòu)體變形量、光纖微彎曲率半徑和光纖衰減量的關(guān)系是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的主要研究和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖2 套管式微彎傳感器原理圖

設(shè)光纖只在平面內(nèi)產(chǎn)生微彎,并且其微彎的曲率形狀為高斯型,則曲率形狀引起的微彎衰減為[14]

(1)

式中,Δn為光纖相對(duì)折射率差,N為光纖總微彎數(shù),A0、W0分別為平均曲率微彎峰值和平均微彎單元寬度,d為光纖芯徑。

根據(jù)(1)式可知,高斯型曲率形狀引起的微彎衰減與微彎單元平均寬度成近似指數(shù)下降關(guān)系。這可以用彎曲光纖的曲率半徑來(lái)表示,當(dāng)微彎單元平均寬度W0很大時(shí),曲率半徑也很大(輕度彎曲),光衰減較小,一般可不予考慮；當(dāng)曲率半徑減小時(shí),衰減呈指數(shù)增長(zhǎng)?？梢?套管式微彎傳感器的套管長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng),以減小光纖微彎曲率半徑,提高衰減變化量,但套管太短也容易將光纖折斷,需綜合考慮。

圖3 套管式光纖微彎傳感器結(jié)構(gòu)

套管式光纖微彎傳感器的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示,圖中套管外徑為2.5 mm,內(nèi)徑為1.5 mm,長(zhǎng)度10 mm。為使套管具有一定硬度和韌性并避免銹蝕,套管選用黃銅材料制作,黃銅套管的一端為凹球面,另一端為凸球面,這樣在2個(gè)套管連接部位就起到活動(dòng)關(guān)節(jié)的作用。將黃銅套管用不銹鋼絲線串聯(lián)成鏈條而組成套管式光纖傳感器,不銹鋼絲線兩端固定在堵頭帽上,并使套管限制在相對(duì)緊密排列的范圍內(nèi),既不會(huì)使套管相互脫離,也不會(huì)因固定太緊而不能相互改變角度,且光纖在套管中處于自由狀態(tài)。由于兩節(jié)套管的連接部分具有嵌套結(jié)構(gòu),凸球面受到凹球面邊沿的支撐而不會(huì)脫離,在壓力作用下兩節(jié)套管之間便形成一定夾角,使套管內(nèi)的光纖產(chǎn)生微彎,光纖微彎曲率半徑隨著兩節(jié)套管之間夾角的減小而減小。光纖與外界完全隔離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合工程應(yīng)用要求,具有可靠性、耐用性和靈活性。

2.2 巖土結(jié)構(gòu)體

巖土結(jié)構(gòu)體如圖4所示。圖4(a)為模擬混凝土路面塌陷監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K示意圖,實(shí)驗(yàn)?zāi)K由混凝土、路基沙石、抽板、重物和木框組成,套管式光纖微彎傳感器埋設(shè)在混凝土下方。將抽板從底部抽出,混凝土底部形成空洞,混凝土在重物壓力下而塌陷,引起光纖微彎衰減并由OTDR測(cè)得衰減曲線。采用不同厚度的抽板可以得到不同衰減的OTDR曲線,觀察OTDR監(jiān)測(cè)到的信號(hào)變化并進(jìn)行記錄分析從而判斷路面塌陷程度。

圖4 巖土結(jié)構(gòu)體示意圖

圖4(b)為模擬巖土山坡崩塌滑坡實(shí)驗(yàn)?zāi)K示意圖,實(shí)驗(yàn)?zāi)K由上開口木箱、抽板,以及含有一定水分的碎石塊和泥土組成。開口木箱的側(cè)面有多個(gè)孔洞,用于套管式光纖微彎傳感器穿過(guò),將抽板從木箱的底部抽出,模擬底部掏空時(shí)木箱內(nèi)的山體滑坡過(guò)程和變形量。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K同時(shí)可以進(jìn)行巖土承重實(shí)驗(yàn),通過(guò)在巖土斜坡上方放置不同重量的重物,觀察產(chǎn)生山體變形和滑坡的情況。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建后進(jìn)行可行性驗(yàn)證。作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一個(gè)例子,實(shí)驗(yàn)只用一個(gè)套管式光纖微彎傳感器,按照?qǐng)D4所示的結(jié)構(gòu)位置安裝,其中標(biāo)準(zhǔn)光纖長(zhǎng)度和尾纖長(zhǎng)度均為250 m,繞制成光纖環(huán),但要注意避免出現(xiàn)繞制缺陷[15]。OTDR衰減曲線如圖5所示,可以看到在距離250 m處有一個(gè)光強(qiáng)度跌落臺(tái)階。圖5(a)為混凝土路面塌陷監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的抽板完全抽出(抽板厚度10 mm)時(shí)，OTDR監(jiān)測(cè)到的混凝土完全塌陷時(shí)的光纖衰減曲線。OTDR主要參數(shù):激光波長(zhǎng)為1 310 nm,脈寬為100 ns,距離量程為500 m。圖5(a)中標(biāo)記點(diǎn)①—②的衰減值為8.529 dB,換算為塌陷深度傳感靈敏度約為0.85 dB/ mm。圖5(b)為崩塌滑坡巖土災(zāi)害監(jiān)測(cè)模塊的抽板完全抽出并產(chǎn)生滑坡時(shí)(抽板厚度為10 mm)，OTDR監(jiān)測(cè)到的光纖衰減曲線,標(biāo)記點(diǎn)①—②的衰減值為3.162 dB。圖5的OTDR衰減曲線驗(yàn)證了將套管式光纖微彎傳感器應(yīng)用于搭建的混凝土路面塌陷監(jiān)測(cè)模塊和崩塌滑坡巖土災(zāi)害監(jiān)測(cè)模塊的實(shí)驗(yàn)具有很好的響應(yīng)度。當(dāng)改變抽板厚度時(shí),上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)KOTDR標(biāo)記點(diǎn)①—②的衰減值跟著改變。

圖5 單傳感器實(shí)驗(yàn)的OTDR衰減曲線

4 結(jié)語(yǔ)

基于OTDR的分布式光纖微彎傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)行模擬混凝土路面塌陷和巖土崩塌滑坡2個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn),實(shí)現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用相結(jié)合的目標(biāo),為巖土結(jié)構(gòu)體監(jiān)測(cè)研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)。設(shè)計(jì)的新型套管式光纖微彎傳感器結(jié)構(gòu)符合工程應(yīng)用要求,具有可靠性、耐用性和靈活性。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)到模擬混凝土路面和模擬巖土山坡在壓力下的空洞塌陷和滑坡現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)可為工科院校建設(shè)工程性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供有益的參考。