用于边坡监测的光纤Michelson位移传感器研究

摘要

山体滑坡是一种严重威胁人们生命和财产安全的地质灾害。中国作为一个地质复杂的国家，是世界上滑坡灾害爆发最严重的国家之一。滑坡会造成一系列的后果，比如破坏道路桥梁造成交通中断，损坏基础设施影响能源供应，导致巨额的经济损失，一些滑坡甚至还会造成严重的人员伤亡。边坡监测自诞生起至今已有一百多年的历史，从早期的宏观地质监测法、设站观测法等传统方法发展到后来的时域反射测试技术(TDR)、GPS技术、光纤传感技术等高新技术。光纤传感技术自上世纪七十年代末诞生以来一直发展迅速，也因其诸多优点在边坡监测领域得到了广泛的应用。 本文主要是设计了基于光谱解调的Michelson干涉式光纤位移传感器系统来监测边坡的位移。该测量系统主要由sm125-500扫描激光解调仪、光纤耦合器、光纤Michelson干涉仪及信息处理设备等部分组成。基于计算机的Labview软件编程实现对位移信号的解调：对采集的干涉信号进行三次样条插值实现其在频率域的等间隔采样，然后采用汉宁窗滤波并通过Hilbert变换实现归一化，消除光源光谱的影响，最后设计快速傅里叶变换算法实现对位移信号的大范围、高精度地解调。综合分析实验系统的偏振衰落问题，使用法拉第旋镜消除系统的偏振衰落。重点讨论光纤应变对折射率变化的影响，通过理论推导得到光纤拉伸过程中的等效折射率，通过实验对传感器系统进行校准，保证传感器的测量性能。采用光纤拉伸装置拉伸光纤以模拟实际边坡滑移，实验结果表明，本套光纤Michelson干涉位移监测系统的精度可达19μm，重复性可达17.7μm，分辨率最高可达30nm，动态范围约10cm。 本文在最后简单介绍了该位移监测系统在现场边坡监测中的选址和安装过程，并采用一种无宏弯损耗的稳定的光纤固定方式。通过在边坡现场的实际边坡滑移监测中测得符合预期的有效数据，测量位移一天之内随温度有着稳定的变化规律，而且整个边坡在所测时间段内有缓慢地轻微滑移地趋势。在边坡的实际监测中本套系统运行良好，工作性能符合理想的预期，证明是一种可靠的边坡位移监测方案。

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