基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器。本發明所要解決的技術問題是設計一種量程大、位移數據無需積分、結構簡單、易于在深部巖土工程結構中應用的全分布式光纖位移傳感器，其包括全分布式傳感光纖，全分布式傳感光纖上串接有兩個以上光纖光柵，光纖光柵作為位置指示器，其中一個光纖光柵的位置固定不動。
【專利說明】
基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器
技術領域
[0001] 本發明涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖 位移傳感器。
【背景技術】
[0002] 位移監測是滑坡體地下深部變形評價的重要手段，已經在大壩、巖體、邊坡穩定性 預測預報中得到大量應用。國家經濟建設的發展對形監測技術提出了更高的要求，急需量 程大、精度高、穩定性好的形監測技術，尤其是隨著我國近些年來對鐵路、公路、水利工程投 資的大幅度上升，實時、準確地監測壩體、邊坡變形等穩定問題顯得十分重要。
[0003 ] 位移傳感器有電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超聲波 式位移傳感器和霍爾式位移傳感器等。這些電類傳感器存在電磁干擾、量程小（多在微米量 級)等缺陷。近年來，光纖光柵位移傳感器與全分布式位移傳感器能夠滿足大型基礎設施的 監測要求，在深入研究結構全斷面應變位移演化規律和損毀機理時這兩類傳感器備受關 注。但這兩類傳感器也有一定的缺陷，光纖光柵位移傳感器通過內部敏感元件光纖光柵反 射的波長移動量來檢測位移，存在結構設計復雜、量程小、無法直接獲得位移數據等不足， 在實際工程中應用困難。光纖光柵準分布式位移傳感器與布里淵分布式位移傳感器是通過 結構分布式應變積分獲得結構位移，位移測量誤差大。
[0004] 本發明能解決的技術問題是設計一種量程大、位移數據直接顯示、結構簡單、易于 深植大型結構體內的基于光纖光柵的全分布式光纖位移傳感器。而且，在研究大型橋梁的 長預應力筋和索應變全長分布規律，隧道、路基、邊坡、大壩和管道的沉降、變形、滑移全斷 面分布規律等方面有著明顯的優勢。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是設計一種位移數據無需積分、量程大、結構簡單、易 于在深部巖土工程結構中應用的基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器。
[0006] 本發明的技術方案為：
[0007] -種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，包括全分布式傳感光纖，其 特征在于所述全分布式傳感光纖上串接有兩個以上光纖光柵，所述光纖光柵作為位置指示 器，其中一個所述光纖光柵的位置固定不動。
[0008] 具體的，光纖光柵以布喇格光纖光柵為宜。
[0009] 具體的，分布式傳感光纖上串接兩個光纖光柵，所述分布式傳感光纖上受載光纖 段的段數n = 5,每段所述受載光纖段的長度等于待測結構的受載長度。
[0010]具體的，光纖光柵使用單模光纖。
[0011]具體的，光纖光柵布設間隔大于4m。
[0012]本發明的有益效果:針對深部巖體、邊坡滑移等大量程位移難于測量的問題，以及 預應力筋等大長度受載結構的位移難于測量的問題，本發明設計開發了大量程基于光纖光 柵定位的全分布式光纖位移傳感器，輸出數據無需通過參數轉換或積分獲得，實現了位移 數據的直接監測，可通過結構調整靈活設計傳感器的位移靈敏度。按照本發明的技術方案 設計的全分布式光纖位移傳感器的位移靈敏度高達5.21。
【附圖說明】
[0013]圖1為基于光纖光柵的分布式光纖位移傳感原理圖。
[0014]圖2為實施例2中2#位移傳感器位移加載實驗裝置示意圖。
[0015]圖3為實施例1中1#位移傳感器的FBG定位光時域譜，其中圖3(a)為1#位移傳感器 FBG定位的全時域譜，圖3 (b)為1 #位移傳感器中光纖光柵FBGi的定位的光時域譜，圖3 (c)為 1 #位移傳感器中光纖光柵FBG2的的光時域譜，圖3 (d)為1 #位移傳感器中光纖光柵FBG3的定 位的光時域譜。
[0016] 圖4為實施例1中1#位移傳感器的應變譜。
[0017] 圖5為實施例1中1#位移傳感器的理論計算與位移傳感數據比較。
[0018]圖6為實施例2中2#位移傳感器的FBG定位光時域譜，其中圖6(a)為2#位移傳感器 中光纖光柵FBGi的定位的光時域譜，圖6 (b)為2#位移傳感器中光纖光柵FBG2的定位的光時 域譜，圖6 (c) 2#位移傳感器FBG定位全光時域譜。
[0019] 圖7為實施例2中2#位移傳感器的應變譜。
[0020] 圖8為實施例2中2#位移傳感器的理論計算與位移傳感數據比較。
[0021 ]圖9為實施例2中2#位移傳感器的位移靈敏度曲線。
【具體實施方式】
[0022]光時域反射是對長距離光纖進行損耗和定位評價的有效手段，也是強度調制型光 纖傳感器進行探測的重要方法。光時域反射依據光纖光柵后向反射光與后向布里淵散射光 方向相同、光功率差異大的特性，通過光時域譜實現光柵定位，因此光柵位置點將有一個對 應的反射事件，當外界位移發生變化時，就會引起光時域譜上兩個光柵反射事件的空間位 置發生相對變化，從而實現位移的測量。實施例的具體做法是在分布式傳感光纖上串接兩 個光纖光柵作為位置指示器，當兩個光纖光柵之間的位移發生變化時，一個光纖光柵FBGi 的空間位置從Pi變化到Pi 1，另一個光纖光柵FBG2的空間位置從P2變化到if，因此，結構位移 即可通過光纖光柵之間的相對位置改變朽-5)-(?-捫反應出來，如圖1所示。
[0023] 光纖的最大應變量約為ΙΟΟΟΟμε，超過光纖的極限應變后光纖將會斷裂損壞，因此 按照應變位移理論，位移傳感器量程與結構的受載長度相關，即為
[0025] 式1中，D為位移傳感器的量程，單位m; Lo為位移傳感器的初始長度，單位m; η為繞 結構鋪設的受載光纖段的段數;emax為光纖所受最大應變量，單位ε。
[0026] 由式1可知實施例中位移傳感器的輸出直接為長度或位移，無需通過轉換或積分 求解。位移傳感器的量程也可根據實際工程需要進行設計，如果需要大量程，那么位移傳感 器的受載長度要增大。該位移傳感器通過結構靈活設計可測量大范圍的位移變化，可于適 用于像預應力筋等這種大長度受載結構。
[0027]利用式2計算位移傳感器的位移靈敏度系數KD:
[0029] 式2中，KD為位移傳感器的應變靈敏度系數；Δ Lo為受載結構位移，單位m。
[0030] 位移傳感器的量程D和應變靈敏度系數KD均可根據實際工程需要靈活設計。從式 1可知，提高位移傳感器的量程需要增大受載結構長度;從式2可知，提高位移靈敏度系數， 就需要在受載結構位移一定的前提下，增大兩個光纖光柵間的距離。因此，在實際工程中， 如果結構位移一定時，可以通過增大受載光纖段數進而增大光柵間距，實現靈敏度系數的 提尚。
[0031] 本發明的突出特點在于不僅可以實現受載結構位移的直接測量，還可以在結構上 連續布設多個光纖光柵，構成多個位移傳感器，實現結構的分級位移測量，同時也很好的解 決了位移傳感器的復用問題。
[0032] 實施例1
[0033]實施例1中1#位移傳感器中供串接有3個不同波長的光纖光柵，均為布拉格光柵， 其性能參數如表1所示。位移加載實驗中，由于實驗室空間的限制，結構受載長度不能設計 的太大，但在實際工程中該因素不受影響，為了提高位傳感器移量程與靈敏度系數，在實驗 中設計了多段受載光纖。其中，1#位移傳感器布設了 4段3.96m的受載光纖段(均為受拉光纖 段），通過位移滑臺施加位移，加載位移為lcm、2cm、3cm(對應應變為2525.3με、5050.5με、 7575.8με)，保證加載應變小于極限應變。
[0034] 實施例2
[0035]為了增大位移量，減小施加的應變幅，實施例2中2#位移傳感器中供串接有2個不 同波長的光纖光柵，均為布拉格光柵，其性能參數如表1所不。位移加載實驗中，2#位移傳感 器布設了 5段5.0m的受載光纖段（均為受拉光纖段），通過位移滑臺施加位移，加載位移為 0 · 5cm、lcm、1 · 5cm、2cm、2 · 5cm(對應應變為ΙΟΟΟμε、2000με、3000με、4000με、5000με)，保證 光纖在受拉過程中不發生脫黏現象。實驗過程中，固定光纖一端的位置不變，另一端通過位 移滑臺施加位移，以達到改變光纖光柵間距的目的，實現結構位移測量，如圖2所示。
[0036]表1光纖光柵的性能參數
[0039] 實施例1和實施例2的試驗均采用NEUBREX公司的ΝΒΧ-7020光纖應力分析儀，測試 空間分辨率分別為2cm(脈沖寬度0.2ns)，采樣間隔為lcm，整個試驗過程中室溫為23.4°C〇
[0040] 圖3為1#位移傳感器的光時域譜圖，該圖表明1#位移傳感器能夠通過光時域方法 得到三個光纖光柵空間位置，從圖3(a)中可以清晰的看到有三個光纖光柵反射峰，與1#位 移傳感器中預設的三個光纖光柵相吻合;從圖3(b)中可以看到結構位移為lcm、2 Cm、3Cm時， 光纖光柵FBGi的位置基本保持不變，與參考空間位置基本保持一致，定位數據的重復性較 好，有lcm的誤差。從圖3(c)中可以看到，當加載位移為lcm時，光纖光柵FBG 2的位置為 20.236m，與參考空間位置20.215m相比，增加了約2cm，說明了位移導致FBG2空間位置發生 改變，位移實測值2cm與理論值3.2cm有差異，造成該差異的原因是儀器本身的參數設置，即 最小采樣點間隔為lcm，因此系統誤差為lcm。加載位移為2cm、3cm時，光纖光柵FBG 2的空間 位置基本相同，沒有出現位移導致FBG2的空間位置變大，原因是:①第一段受載光纖段已松 弛，應變小，盡管第二、四段受載光纖段應變增大(如圖4所示），二者產生的位移相互抵消， 總位移基本保持不變;②最小采樣點間隔為lcm，是儀器本身的參數設置。從圖3(d)中可以 看到加載位移為1 cm時，光柵光纖FBG3的位置為32.32m，與參考空間位置32.289m相比，增加 了3. lcm，同樣也說明位移增大導致FBG2的空間位置發生改變。產生測量誤差的原因在于結 構施加應變太大，導致兩端黏結區光纖已經脫膠，產生了光纖松弛現象。從圖4和表2中可以 看到，加載位移為1〇11，2〇11，3〇11，第一段受載光纖段的應變9015.478以￡下降到6358.8724￡， 甚至5105.708με，說明第一段光纖已經松弛，第二段、第四段受載光纖段加載到2cm時兩端 黏結良好，但加載到3cm時光纖已經脫膠。第三段受載光纖段加載到lcm時兩端黏結良好，加 載到2cm、3cm時，該段光纖兩端的黏結點已經脫膠。
[0041] 基于以上分析，實施例1由于光纖的松弛與采樣點間隔的限制雙重原因，全分布式 光纖位移傳感器位移實測值與理論計算值之間的誤差，導致位移傳感器的理論與實測值吻 合度較低，僅為〇. 57 (如圖5所示）。同時，該位移傳感器的應變靈敏度由于加載光纖兩端出 現脫膠，實測應變靈敏度已無法分析。
[0042] 表2 1#位移傳感器應變測試數據
[0044]為了增大位移量程，減小施加的應變幅，防止黏結區光纖脫膠現象發生，實施例2 中2#位移傳感器增加了受載光纖段數與加載長度，加載長度即受載光纖段的長度，實施例2 中2#位移傳感器的加載長度為5m。圖6為2#位移傳感器的定位譜圖，從圖6(c)中可以清晰的 看到有2個光纖光柵反射峰，與2#位移傳感器中預設的2個光纖光柵相吻合。從圖6(a)中可 以看到加載位移為0.5cm、lcm、1.5cm、2cm、2.5cm時，光纖光柵FBGi的位置基本保持不變，與 參考空間位置基本保持一致。從圖6(b)中可以看到隨著加載位移增大時，光纖光柵FBG 2的 位置從參考空間位置40.041m逐漸變大到40.174m，增加了 13.3cm，與理論計算值12.7cm基 本吻合。從圖7和表3中可以看到，加載位移為0.5cm、lcm、1.5cm、2cm、2.5cm時，5段受拉光纖 的應變幅均勻，加載應變與實際相符，同時也表明2#位移傳感器兩端黏貼區未見到光纖脫 黏現象發生。位移傳感器位移加載數據與2#位移傳感器的測量結果一致，例如當結構加載 位移為2.5cm時，光柵間距理論計算為12.5cm(2.5cmX 5段受載光纖），實測光柵間距變化為 12.7cm，二者之間吻合非常好，通過對實測數據與理論計算之間數據分析得到二者的吻合 度為1.078(見圖8)。全分布式位移傳感器的位移靈敏度系數為5.21(見圖9)，線性度良好， 根據公式理論靈敏度系數為5.32，與5段受載光纖的實際情況吻合，因此，提高位移傳感器 的位移靈敏度可以通過增大光纖受載段數來實現。該傳感器最大基本誤差為2cm，因此，該 傳感器系統誤差是確定的，如果提高位移傳感器的測試精度，只能通過增大受載光纖段數 進來實現。
[0045] 表3 2#位移傳感器應變測試數據
[0047] 本發明針對深部巖體、邊坡滑移等大量程位移難于測量的問題，設計開發了大量 程基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其輸出數據無需通過參數轉換或積分獲 得。本發明提出了一種基于光纖光柵的光時域定位原理，實施例及其試驗結果表明基于光 纖光柵的光時域定位原理可行，實施例1和實施例2兩種全分布式位移傳感器均能實現位移 的測量，其中，實施例2中2#位移傳感器的位移靈敏度高達5.21。實施例的試驗結果表明，可 通結構設計靈活提高位移傳感靈敏度和測試精度，例如增大受載光纖的長度可提高位移傳 感器的量程，增大受載光纖的段數可提高位移傳感器的靈敏度。
[0048] 因為受到實驗室場地大小的限制，位移傳感器的受載長度有限，因此上述實施方 式并非為本發明的優選實施例，也并非本發明可行實施的窮舉，可根據工程實際要求和位 移傳感器的基本原理，靈活設計位移傳感器的量程與位移靈敏度。對于本領域一般技術人 員而言，在不背離本發明原理和精神的前提下對其所作出的任何顯而易見的改動，都應當 被認為包含在本發明的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，包括全分布式傳感光纖，其特 征在于所述全分布式傳感光纖上串接有兩個及兩個以上光纖光柵，所述光纖光柵作為位置 指示器，其中一個所述光纖光柵的位置固定不動，兩個及兩個以上所述光纖光柵之間的受 載段數/3至少為1段。2. 根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其特征 在于:所述的光纖光柵以布喇格光纖光柵為宜。3. 根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其特征 在于對于結構受載長度為l〇m的結構，所述分布式傳感光纖上受載光纖段的段數/3多5,每段 所述受載光纖段的長度等于待測結構的受載長度。4. 根據權利要求1或2所述的一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其特 征在于:所述的光纖光柵使用單模光纖。5. 根據權利要求1或2所述的一種基于光纖光柵定位的全分布式光纖位移傳感器，其特 征在于:所述的光纖光柵布設間隔大于4m。
【文檔編號】G01B11/02GK106091938SQ201610407045
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】李劍芝, 徐龍祥, 李義強, 侯躍敏, 孫寶臣
【申請人】石家莊鐵道大學