相似材料模型应变监测的BOTDA方法

摘要

相似材料模型实验是研究岩层移动变形规律的一种重要手段，被广泛应用于水利、建筑和采矿等领域。将BOTDA技术应用于相似模拟实验可以实现对模型各岩层应变信息的获取，实时监测和记录岩层变形的空间、时间等特征。本文围绕BOTDA系统传感信号的影响因素、BOTDA系统的应变感知性能、BOTDA技术在相似材料模型实验中的使用效果展开研究，主要的研究成果如下： （1）揭示了BOTDA分布式光纤传感系统监测信号影响的因素，以脉冲宽度、空间采样间隔、采样平均次数为研究对象，采用控制变量法探究不同的参数设置会对温度监测结果造成的影响，根据实验结果分析，得出在实验光纤长度条件下（15m），脉冲宽度为5ns、空间采样间隔为0.04m、采样平均次数为30000时测温结果最接近恒温水槽设置温度，三种不同设置温度（30℃、40℃、50℃）下的测温差值不大于0.06℃。 （2）实验分析了BOTDA分布式光纤传感系统的应变感知性能。根据测量结果得出所使用的单模裸纤受拉应变时应不大于1863.72με，高精度应变测试专用光纤受拉应变时应不大于2422.05με。在达到极限测量值之前单模裸纤应变传递系数在99.5%-100.9%之间，高精度应变测试专用光纤应变传递系数在99.7%~101.2%之间。 （3）开展了相似材料模型的BOTDA分布式光纤监测实验，得出了布设在模型不同区域的竖直光纤在采动影响下的应变变化基本规律，并揭示了竖直光纤对工作面位置的响应关系可以分为三个部分，第一个部分，工作面靠近光纤所在位置，靠近煤层附近的光纤测量值为负值，光纤处于受压状态；第二个部分，工作面通过光纤所在位置，光纤由之前的受压转变为受拉，并且应变峰值随着工作面的推进向上方转移；第三个部分，工作面远离光纤所在位置，光纤由受拉又转变回受压。

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变量注释表

1绪论

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的及意义

1.2.1相似材料模型实验中常见的监测手段

1.2.2分布式光纤传感技术

1.2.3分布式光纤变形监测研究现状

1.3 存在的问题

1.4 研究的内容与技术路线

1.4.1 研究的内容和研究方法

1.4.2研究技术路线

2 BOTDA技术的传感机理

2.1光纤中的光散射

2.2布里渊散射

2.2.1自发布里渊散射

2.2.2受激布里渊散射

2.3BOTDA传感系统的应变和温度测量原理

2.3.1布里渊频移与应变的关系

2.3.2布里渊频移与温度的关系

2.3.3布里渊频移与应变和温度的关系

2.4 BOTDA传感系统

2.4.1BOTDA传感系统性能指标

3 BOTDA系统传感信号影响因素研究

3.1.1实验仪器

3.1.2实验步骤

3.2.1脉冲宽度对测量结果的影响

3.2.2空间采样间隔对测量结果的影响

3.2.3采样平均次数对测量结果的影响

3.3本章小结

4 BOTDA系统应变感知性能研究

4.1.1实验设备与材料

4.1.2实验主要步骤如下

4.2实验数据分析

4.3本章小结

5 光纤监测岩层变形相似材料模型实验

5.1相似材料模型实验概述

5.1.1实验目的

5.1.2实验原理

5.1.3相似材料模型的设计与光纤布设情况

5.1.4相似材料模型铺设过程

5.2光纤监测结果

5.3 工作面推进过程中上覆岩层的应变变化规律

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

作者简历

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