基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器

摘要

本发明涉及基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器，包括多个位移传感单元，位移传感单元的数量大于等于1，多个位移传感单元依次串联连接，每个位移传感单元均包括防护罩、右连引出光纤、上端顶板、毛细钢管、基材、下端底板、左连引出光纤和光纤蝴蝶结调制机构；所述防护罩与上端顶板通过螺栓相连；基材的上下表面分别与上端顶板和下端底板固定连接；沿基材的中轴线上设置有导槽孔，毛细钢管穿过该导槽孔，毛细钢管的下端固定在下端底板上，毛细钢管的上端穿过上端顶板与光纤蝴蝶结调制机构连接，在下端底板的下表面固定有锚头；所述光纤蝴蝶结调制机构置于防护罩中。该传感器解决了对边坡内部位移分布式、远程实时监测的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子滑坡测量技术，更具体地说，涉及一种基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器及其使用方法。

背景技术

滑坡是地球上发生最频繁、危害较大的自然灾害之一，针对于滑坡监测的方法和技术层出不穷。边坡内部位移监测一直是岩土工程界中关注的重要课题，滑坡内部位移监测不仅可以提供准确的滑体位移、滑动面位置等重要信息，而且便于长期连续地了解滑坡状态，实现对滑坡体长周期稳定性评价和预警判断。目前对于岩土体内部位移监测，一般采用钻孔倾斜仪、基岩位移计、多点位移计等传感器，钻孔倾斜仪作为较为一种准确的测斜仪器，但是需要人工方式到现场测量，工作量大且数据监测不够连续，实时性不强；基岩位移计和多点位移计，传感单元安装于孔口位置，连接不同长度的传递杆，测量不同深度锚固端相对孔口的位移量，并假定深部不动点，从而换算各测点变形。目前的这些测量仪器都不利于远程实时测量与监测，易受外界强电干扰太大，测量精度有限。

光纤传感技术是一种以光为载体，以光纤为媒介来感测外部的物理、化学参量的传感技术。其作为一种新型测量技术，正在被广泛应用在土木工程中。与传统的传感器相比具有明显优势：抗电磁干扰，重量小，成本较低，灵敏度高，便于远距离传输等优点。

中国发明专利CN102252703A公开了一种“光纤复合传感模块”，其是利用砂浆包裹基材，在基材表面设置有穿过毛细钢管的光纤，基材上端部的光纤被安装为蝴蝶结调制机构去形成弯曲损耗，通过具体实施例证明该装置可以实现对被测体有高的初始测量精度、大的测量行程和动态范围、对荷载方向的判断等特点，证明了利用光纤弯曲损耗原理的传感器可以用于测量剪切的滑动体，但是该装置制作过于粗糙，不便于用于现场安装和使用，蝴蝶结调制机构暴露在外，容易受到环境影响；且不能实现对滑坡体内部进行分布式多点位移测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器及其使用方法，可以用于解决对边坡内部位移分布式、远程实时监测的问题。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器，包括多个位移传感单元，位移传感单元的数量大于等于1，多个位移传感单元依次串联连接，其特征在于每个位移传感单元均包括防护罩、右连引出光纤、上端顶板、毛细钢管、基材、下端底板、左连引出光纤和光纤蝴蝶结调制机构；

所述防护罩与上端顶板通过螺栓相连；基材的上下表面分别与上端顶板和下端底板固定连接；沿基材的中轴线上设置有导槽孔，毛细钢管穿过该导槽孔，毛细钢管的下端固定在下端底板上，毛细钢管的上端穿过上端顶板与光纤蝴蝶结调制机构连接，在下端底板的下表面固定有锚头；所述光纤蝴蝶结调制机构置于防护罩中，在保护罩的两侧均开有光纤引出孔，两侧的光纤引出孔分别引出左连引出光纤和右连引出光纤，且光纤引出孔用环氧树脂封闭。

所述基材横截面为圆形，强度和模量尽量和边坡浇筑时的砂浆近似。

所述上端顶板与下端底板尽量采用有一定强度的轻质不锈钢薄板。

所述多个位移传感单元通过各自的左连引出光纤与右连引出光纤依次串联，最下面的右连引出光纤不引出，最上面的左连引出光纤引出；或者最下面的左连引出光纤不引出，最上面的右连引出光纤引出形成多点位移传感器，相邻两个位移传感单元之间通过钢丝绳连接，钢丝绳上端连接位于上面的位移传感单元的锚头，钢丝绳的下端连接保护罩上端；多个位移传感单元通过多个钢丝绳绑扎在一起，捆绑后放入边坡孔洞中，再通过灌浆固结于边坡岩层的边坡孔洞中。

左连引出光纤与右连引出光纤均采用铠装光缆连接，便于在滑坡体内进行信号传输，位于最上面的位移传感单元的引出光纤由铠装光缆导出边坡孔洞，连接上光时域反射计用于测量。

一种基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器的使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

1)当位移传感器所在测量位置的岩土体沿着滑移面处剪切滑动时，导槽孔中的毛细钢管会发生剪切错动，从而带动防护罩中的光纤蝴蝶结调制机构发生变形，尺寸会缩小，根据光时域反射计等测试仪器可以分析出光纤蝴蝶结调制机构发生变形后的光纤损耗变化值；

2)毛细钢管发生的剪切变形量，反映在光纤蝴蝶结调制机构的变形上。通过在实验室内已经标定好的光纤蝴蝶结调制机构变形情况下，毛细钢管变形位移量与光纤损耗变化值之间的关系，可以计算出所测量位置处的滑坡土变形量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、毛细钢管受到滑体运动产生位移会转化为光纤蝴蝶结调制机构的收缩变形l，光纤蝴蝶结调制机构由于属于本征型传感器，其变形所造成的光纤损耗量α和变形量l之间关系成某种关系l＝f(α)，因此被测孔洞测量点的位移最后转化为对光纤损耗的调制。

2、针对不同监测深度边坡，可以串联多个位移传感单元形成多点位移传感器，钢丝绳绑扎之后放入孔洞中利用砂浆固结。根据监测需求的不同，可以串联不同数量的位移传感单元实现对边坡孔洞内部分布式监测。

3、引出光纤通过铠装光缆连接外部的光时域反射计，能实现远距离信号监测，光纤位移传感器具有较强的抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。测量信号的光时域反射计价格便宜，可用于检测光纤信号衰减位置。位移传感器连接上光时域反射计等测量仪器，可以进行长期、实时的远程监测。

4、本发明结构设计简单，成本较低，利于现场安装，便于操作，实现多点监测。

5、根据光时域反射计等测量仪器中测量的光纤损耗变化情况，可以较为简单、准确的判断出滑坡体滑动模式、滑动面位置和滑移量。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器中单个位移传感单元的结构示意图；

图2为本发明基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器安装在边坡孔洞中的结构示意图；

图3为本发明基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器中光纤蝴蝶结调制机构的结构示意图；

图中标记：1是防护罩、2是右连引出光纤、3是上端顶板、4是毛细钢管、5是导槽孔、6是基材、7是下端底板、8是左连引出光纤、9是光纤引出孔、10是螺栓、11是锚头，12是光纤蝴蝶结调制机构；13是钢丝绳、14是边坡孔洞、15是边坡岩层。

具体实施方式

实施例1：如图1-3所示，一种基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器，包括四个位移传感单元，每个位移传感单元均包括防护罩1、右连引出光纤2、上端顶板3、毛细钢管4、导槽孔5、基材6、下端底板7、左连引出光纤8、光纤引出孔9、螺栓10、锚头11和光纤蝴蝶结调制机构12；

其中防护罩1与上端顶板3通过螺栓10相连；基材6与上端顶板3和下端底板7通过强力胶粘结；毛细钢管4通过基材6中的导槽孔5，毛细钢管4下端与锚头11均固定在下端底板7上，上端穿过上端顶板3；光纤蝴蝶结调制机构12置于防护罩1中，与毛细钢管4的上端相连，通过光纤引出孔9分别引出左连引出光纤8和右连引出光纤2，光纤引出孔9用环氧树脂封闭。光纤蝴蝶结调制机构12用来提高光纤的弯曲灵敏度。

所述基材6横截面为圆形，强度和模量尽量与边坡浇筑时的砂浆近似，进而可以在滑坡体滑动变形过程中保证和多点位移传感器的变形协调一致。圆形截面的基材更加方便于将多点位移传感器放入钻孔中，保证周围砂浆层厚度一致；其次不同方向的滑坡力合力作用于圆形截面的多点位移传感器上，较其他截面受力模式要好。

所述上端顶板3与下端底板7尽量采用有一定强度的轻质不锈钢薄板。

所述多个位移传感单元通过各自的左连引出光纤8与右连引出光纤2依次串联，最下面的右连引出光纤2不引出，最上面的左连引出光纤8引出，形成多点位移传感器，串联后的多个位移传感单元通过钢丝绳13将上面位移传感单元的锚点和下面位移传感单元的保护罩上端连接，从而绑扎在一起，捆绑后放入边坡孔洞14中，再通过灌浆固结于边坡岩层15的边坡孔洞中14。

左连引出光纤8与右连引出光纤2之间均通过铠装光缆连接，便于在滑坡体内进行信号传输，所谓铠装光缆是带包层的光纤，通过光纤熔接机可以实现串联连接，便于在滑坡体传输信号不容易破坏，铠装光缆最后导出边坡孔洞14，连接上光时域反射计用于测量。

一种基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器的使用方法，假定边坡孔洞中安装由四个位移传感单元(1#～4#)构成的多点位移传感器，所述方法的具体步骤如下：

1)参照图2，假定滑动面位于2#位移传感单元的位置上，岩土体沿着滑动面产生剪切滑动，位移传感器和周围岩土体保持变形协调一致，由于2#位移传感单元下面的3#和4#位移传感单元处于稳定岩床上，不会发生变形；2#位移传感单元上面的1#位移传感单元和周围岩土体一同变形，因此也没有发生剪切变形。2#位移传感单元的下端底板7固定在岩床上，滑体的下滑力会剪切基材6，导致导槽孔5中的毛细钢管4发生剪切变形，从而带到防护罩1中的光纤蝴蝶结调制结构12发生变形，尺寸变形，根据光时域反射计可以测量出光纤蝴蝶结调制机构12发生变形后的光纤损耗变化值；光时域反射计可以通过判断光纤不同路线位置处的损耗值，来检测出滑动面的位置。因此在本实施例中光时域反射计中会出现如下光纤损耗现象：1#、3#和4#位移传感单元处没有光纤损耗；2#位移传感单元处有光纤损耗；

2)毛细钢管4发生的剪切变形量，反映在光纤蝴蝶结调制机构12的变形上。通过在实验室内已经标定好的光纤蝴蝶结调制机构12变形情况下，毛细钢管4变形位移量与光纤损耗变化值之间的关系，可以计算出所测位置处的滑坡体变形量。

通过上述实施例中步骤，便可以判断出滑坡体的滑动模式、滑动面位置以及滑移量。

实施例2：一种基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器，包括包括四个位移传感单元，四个位移传感单元依次串联连接，每个位移传感单元均包括防护罩1、右连引出光纤2、上端顶板3、毛细钢管4、导槽孔5、基材6、下端底板7、左连引出光纤8、光纤引出孔9、螺栓10、锚头11和光纤蝴蝶结调制机构12；各部分具体的连接关系同实施例1。

四个位移传感单元(1#～4#)通过各自的左连引出光纤8与右连引出光纤2依次串联，最下面的左连引出光纤8不引出，最上面的右连引出光纤2引出形成多点位移传感器，串联后的多个位移传感单元通过钢丝绳13绑扎在一起，捆绑后放入边坡孔洞14中，再通过灌浆固结于边坡岩层15的边坡孔洞中14。

本实施例基于光纤弯曲损耗的边坡监测多点位移传感器的使用方法的具体步骤如下：

1)参照图2，假定有两级滑动面发生，1级滑动面位于2#位移传感单元的位置上，先滑动一段时间后趋于稳定；2级滑动面位于1#位移传感单元的位置上，在1级滑动面稳定后一段时间，又开始滑动。滑坡体沿1级滑动面滑动时，岩土体沿着滑动面产生剪切滑动，位移传感器和周围岩土体保持变形协调一致，由于2#位移传感单元下面的3#和4#位移传感单元处于稳定岩床上，不会发生变形；2#位移传感单元上面的1#位移传感单元和周围岩土体一同变形，因此也没有发生剪切变形。2#位移传感单元的下端底板7固定在岩床上，滑体的下滑力会剪切基材6，导致导槽孔5中的毛细钢管4发生剪切变形，从而带到防护罩1中的光纤蝴蝶结调制结构12发生变形，尺寸变形，根据光时域反射计可以测量出光纤蝴蝶结调制机构12发生变形后的光纤损耗变化值；1级滑动面稳定后，滑坡体又开始沿2级滑动面滑动，位移传感器和周围岩土体保持变形协调一致，由于1#位移传感单元下面的2#、3#和4#位移传感单元处于稳定岩床上，不会发生变形。1#位移传感器的下端底板7固定在岩床上，滑体的下滑力会剪切基材6，导致导槽孔5中的毛细钢管4发生剪切变形，从而带到防护罩1中的光纤蝴蝶结调制结构12发生变形，尺寸变形，根据光时域反射计等测试仪器可以测量出光纤蝴蝶结调制机构12发生变形后的光纤损耗变化值；

光时域反射计可以通过判断光纤不同路线位置处的损耗值，来检测出滑动面的位置。因此在本实施例中光时域反射计中会出现如下光纤损耗现象：监测开始的一段时间内，1#、3#和4#位移传感单元对应处没有光纤损耗；2#位移传感单元处有光纤损耗；在监测后期中，2#、3#和4#位移传感单元处没有光纤损耗，1#位移传感单元处有光纤损耗；

2)毛细钢管4发生的剪切变形量，反映在光纤蝴蝶结调制机构12的变形上。通过在实验室内已经标定好的光纤蝴蝶结调制机构12变形情况下，毛细钢管4变形位移量与光纤损耗变化值之间的关系，可以计算出所测位置处的滑坡体变形量。

通过上述实施例中步骤，便可以判断处滑坡体的滑动模式、滑动面位置以及滑移量。

本发明未述及之处适用于现有技术。