光纖光柵巖土內(nèi)部二維變形監(jiān)測技術(shù)研究

周虎

摘 要：為了解決光纖光纖傳感技術(shù)在監(jiān)測巖土內(nèi)部二維變形中的應(yīng)用問題，通過實(shí)驗(yàn)研究、理論分析計(jì)算，設(shè)計(jì)了光纖光柵角度傳感器，建立了鉸接光纖光柵角度傳感器巖土內(nèi)部二維變形結(jié)構(gòu)模型，給出了鉸接點(diǎn)坐標(biāo)公式；并通過工程實(shí)例及對(duì)比分析，對(duì)鉸接光纖光柵角度傳感器在12 m試驗(yàn)路基段內(nèi)部變形中的監(jiān)測進(jìn)行了可行性研究；研究結(jié)果表明：光纖光柵角度傳感器在0°～5°范圍內(nèi)，角度和波長偏移量呈線性變化，對(duì)應(yīng)單個(gè)傳感器最大變形量100 mm/m、解析度0.0045 mm/m、精確度0.007 mm/m；鉸接光纖光柵角度傳感器監(jiān)測效果良好，誤差小，可在巖土二維變形監(jiān)測方面進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光纖光柵 角度傳感器 巖土工程 二維變形

中圖分類號(hào)：TP73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（c）-0087-03

Study of Two-dimension Deformation in Geotechnical Engineering by Using Fiber Grating

Zhou Hu

（Shenmu Huisen Liangshuijing Mining Co.，Ltd，Yulin shanxi，719319，China）

Abstract：In order to solve the problem of two-dimension deformation in geotechnical engineering by using fiber grating sensing technology，through the experimental study and theoretical analysis，we design the fiber grating angle sensors，and build a geotechnical internal deformation structure model for hinged sensors，and give the hinged point coordinates formula，through engineering examples and comparison analysis，we conducted the feasibility； The results show that the angle and wavelength offset appear to be a linear relationship between 0 angle and 5 angle，corresponding to a single sensor with maximum deformation of 100 mm/m，resolution of 0.0045 mm/m，accuracy of 0.007 mm/m.the monitoring results of the sensors are good，the errors are small，we conclude that the fiber grating angle sensors will have a good prospect in geotechnical internal deformation monitoring in future.

Key Words：The fiber grating；Angle sensors；Geotechnical engineering；Two-dimension deformation

近些年，隨著光纖光柵傳感及其相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，光纖光柵傳感器的實(shí)用化開發(fā)已成為傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵。但光纖光柵傳感在巖土內(nèi)部變形監(jiān)測方面的應(yīng)用還相對(duì)較少，同時(shí)由于巖土內(nèi)部情況變化的復(fù)雜性，人們也曾嘗試多種檢測手段進(jìn)行研究[1-2]，如X射線法、聲發(fā)射等，但效果均不是很理想，X射線法對(duì)人體危害較大、操作不便且成本高；聲發(fā)射在信號(hào)很微弱的情況下，很難準(zhǔn)確得到缺陷信號(hào)，且噪聲和干擾信號(hào)影響較大；而目前光纖光柵傳感也以其靈敏度高、操作性好、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)被用于越來越多的場合，光纖光柵傳感技術(shù)的引入為巖土內(nèi)部的變形監(jiān)測開辟了新的思路和途徑[3-4]。

1 光纖光柵巖土內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)

1.1 監(jiān)測機(jī)理

光纖光柵傳感器為多用途感測器，可測兩點(diǎn)或多點(diǎn)間的側(cè)向偏移或相對(duì)轉(zhuǎn)角。傳感器采用多點(diǎn)串接式設(shè)計(jì)，可依工程監(jiān)測需求，串接二至數(shù)十個(gè)光纖角度傳感器，提供待測體的整體變形曲線，其內(nèi)部線路無光纖外露，不但美觀可靠亦增加施工的便利性。光纖光柵傳感器通過特殊管件連接及夾具，可布放于待測體表面，也可直接埋入巖土內(nèi)部，若搭配人機(jī)界面軟體，還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)端在線監(jiān)控，并提供即時(shí)的待測體及巖土內(nèi)部變形狀況。

1.2 角度傳感器的設(shè)計(jì)及標(biāo)定

整個(gè)光纖光柵角度傳感器的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，包括裸纖的熔接、在玻纖棒上沿軸心線方向刻偏心淺直槽、關(guān)節(jié)件的設(shè)計(jì)、裸纖與玻纖棒的復(fù)合粘接、穿管定位、加鋼套環(huán)、安裝小底座及整個(gè)管件的防水處理。單個(gè)光纖角度傳感器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：測量范圍±100 mm，解析度0.0045 mm/m、精確度0.007 mm/m。

光纖光柵角度傳感器的標(biāo)定也是非常關(guān)鍵的一部分，在0°～5°的范圍內(nèi)，進(jìn)行角度和波長偏移量的反復(fù)性標(biāo)定試驗(yàn)，由于小角度的等分標(biāo)定比較困難，實(shí)驗(yàn)過程中通過垂直位移量（沉降量）的等分標(biāo)定來實(shí)現(xiàn)一個(gè)等價(jià)轉(zhuǎn)換，如表1所示。

對(duì)樣品標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，受拉/壓狀態(tài)標(biāo)定下，線性度R2=0.9993，說明抽樣傳感器標(biāo)定離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的線性擬合情況良好。抽樣傳感器受拉/壓狀態(tài)下，角度（x）與波長偏移量（y）的標(biāo)定線性關(guān)系式為：

y=0.2692x

由于光纖光柵同時(shí)對(duì)溫度和基底的角度變化敏感，設(shè)計(jì)過程中通過不受力溫度補(bǔ)償方法剔除溫度變化對(duì)角度測量的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：1℃溫度變化對(duì)應(yīng)引起10 pm的測量誤差。因此，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，用光纖光柵做角度變化傳感須考慮溫度的影響，否則，會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓绊懡嵌葴y量的精度。

1.3 基于角度變換的坐標(biāo)算法

角度傳感器的設(shè)計(jì)完成只能說完成了光纖巖土二維變形監(jiān)測的第一步，在光纖光柵角度傳感器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立了基于角度變換的傳感點(diǎn)的坐標(biāo)算法，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)巖土內(nèi)部長距離變形監(jiān)測提供理論支撐。

具體算法的建立如下：設(shè)單個(gè)角度傳感玻纖棒的長度為L（單位：mm），相鄰傳感棒間的鉸接件長度為L1（單位：mm），二維沉降過程中單個(gè)角度傳感棒的下沉角設(shè)為θi（i=1，2，…，n），第一根角度傳感玻纖棒的前端點(diǎn)O設(shè)為參考點(diǎn)，在O處建立參考坐標(biāo)系XOY（其中：X軸為第一根玻纖棒初始位置對(duì)應(yīng)所在直線，Y⊥X），后續(xù)傳感棒間的鉸接點(diǎn)依次設(shè)為O1、O2、O3…Oi，并在鉸接點(diǎn)處建立平面運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系X1 O1Y1、X2 O2Y2、X3 O3Y3…Xi OiYi （其中：Xi軸為相鄰上一段玻纖棒下沉θi-1后對(duì)應(yīng)所在直線，Yi⊥Xi）

另外，該算法的建立過程中對(duì)單段角度傳感玻纖棒進(jìn)行了一個(gè)近似等價(jià)處理，即認(rèn)為0°～5°的小角度范圍內(nèi)，長度為600～1 000 mm，直徑為6 mm的角度傳感玻纖棒在二維平面內(nèi)的彎曲變形很小，可等價(jià)處理為類直線段。

以單段長度為1 000 mm的傳感棒為例：在平面內(nèi)彎曲旋轉(zhuǎn)達(dá)到5°時(shí)，棒末端點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)為（994 mm，99.5 mm），等價(jià)為類直線后棒末端點(diǎn)的坐標(biāo)為（995 mm，99.6 mm）。

坐標(biāo)X的誤差率：δx=ΔX/X實(shí)=1/994=0.1%

坐標(biāo)Y的誤差率：δy=ΔY/Y實(shí)=0.1/99.5=0.1%

鉸接角度傳感玻纖棒在二維平面內(nèi)發(fā)生小變形的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

依據(jù)已知假設(shè)條件及理論結(jié)構(gòu)模型示意圖對(duì)鉸接點(diǎn)O1，O2，…，Oi的位置坐標(biāo)進(jìn)行遞推計(jì)算得到相對(duì)于參考點(diǎn)O及參考坐標(biāo)系XOY的二維平面坐標(biāo)計(jì)算公式。

鉸接點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

θi-θ

其中θi是有正負(fù)的，規(guī)定光纖受拉時(shí)，θi為正值，光纖受壓時(shí)，θi為負(fù)值。

2 工程應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該監(jiān)測技術(shù)的效果和實(shí)用性，我們?cè)谠囼?yàn)路基底基層，選擇了兩個(gè)長12 m半截面，進(jìn)行刻槽鋪設(shè)，鋪設(shè)完成后，對(duì)鋪設(shè)傳感的靈敏度和整體變化趨勢(shì)進(jìn)行了相關(guān)測試，并進(jìn)行了相關(guān)數(shù)據(jù)的采集記錄。

在碾壓變形過程中，Δλ的最小變化量0.002，說明波長能感受非常微小的變化，傳感器感知變形非常靈敏；3個(gè)溫度傳感點(diǎn)在溫度基本保持穩(wěn)定的情況下，波長碾壓前后基本不發(fā)生變化，這也說明我們?cè)O(shè)計(jì)的溫度傳感不受力封裝良好；碾壓變形后其各傳感點(diǎn)相對(duì)于初始位置坐標(biāo)變化情況如圖2所示。

由圖2可以看出，在鋪設(shè)的光纖光柵角度傳感玻纖棒其整體感知變形趨勢(shì)準(zhǔn)確，感知傳感點(diǎn)最大變形26.7 mm，與傳感點(diǎn)位置實(shí)測的最大變形28 mm也基本吻合，實(shí)際感知最大變形誤差1.3 mm，由此也說明設(shè)計(jì)的光纖光柵角度傳感效果良好，在巖土二維變形監(jiān)測方面可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語

（1）光纖與玻纖棒基材復(fù)合而成的光纖光柵角度傳感器在0°～5°范圍內(nèi)，進(jìn)行二維變形標(biāo)定測試，角度和波長偏移量均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)度都在0.99以上。

（2）采用不受力溫度補(bǔ)償法，消除了溫度對(duì)波長漂移量的影響，為光纖光柵角度傳感器的準(zhǔn)確測量提供了保證。

（3）基于角度變換的鉸接傳感器二維變形結(jié)構(gòu)模型的建立，為鉸接點(diǎn)坐標(biāo)位置的確定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖土內(nèi)部長距離二維變形監(jiān)測提供了理論支撐。

（4）在試驗(yàn)路基段鋪設(shè)的光纖光柵角度傳感器靈敏度良好，整體感知受壓變化趨勢(shì)準(zhǔn)確，表明設(shè)計(jì)的傳感器效果良好，在巖土二維變形監(jiān)測方面可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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