[发明专利]基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置、系统及方法

说明书

本发明涉及物理模型试验技术领域，具体公开了一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置、系统及方法，实验装置包括支架、固定安装在支架上的第一固线夹和第二固线夹、固定安装在支架上的第一定滑轮和第二定滑轮以及用于施加预应力的第一动滑轮和第二动滑轮；系统包括实验装置以及光频域分析仪和计算机，光频域分析仪与光纤的两端连接，计算机与光频域分析仪连接，用于分析测量后的光信号。本发明的实验装置通过在第一动滑轮和第二动滑轮上悬挂砝码对光纤施加预先拉应力而使光纤产生拉应变，有效的模拟了地层变形检测中分布式光纤传感器在拉力作用下的物理特性，实现地层受压时的压应变值检测，从而得到更精确的分析结果。

技术领域

本发明涉及物理模型试验技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置、系统及方法。

背景技术

地层沉降是一种世界性地质问题，严重时将成为地质灾害。模型试验通过在室内模拟现场工程结构及其受载情况，根据试验结果并依据相似理论进行反演分析，以获得现场工程结构体的变形特征、稳定性、受力状态和破坏机理等，并最终反映工程现场的实际状态，是解决现场工程问题的最直观方法。地层变形模拟试验装置变形测试方法主要有百分表测量、位移传感器测量、全站仪测量和近景摄影测量，以上所有测试方法只能测量模型外部变形和整体变形，不能对模型内部变形和应变进行测量。传统的应变检测手段主要有电阻应变计式、差动电阻应变计式、钢弦式和液压枕式等几类传感器，同时国内外有学者采用声频应力波检测的方法和探地雷达，小波分析等方法。这些机电类敏感元器件已大量使用，并已有成熟的技术，尤其是电阻应变计的长期稳定性、温度漂移、零点稳定和长距离传输问题得到较好的解决。但这些传感器仍存在防潮、防水、抗干扰性能差，不能实现分布式测量等缺点。这些缺陷阻碍了模型试验准确度水平的提高和科学研究日益增长的高精度的要求。

光纤传感技术是一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的传感技术。分布式光纤传感技术被应用于各类岩土结构的变形检测，在测试方法应用和测量仪器研发上做了大量工作。然而，多数研究仍停留在分布式光纤对岩层变形测量的适用性上，在测试结果的可靠性和测试结果解释上仍不明确，主要表现在光纤和被测基体间的耦合关系以及光纤对应变的测量方法不完善。所以，设计一种更加完善的测量方案成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置、系统及方法。

一种基于分布式光纤传感器的预应力加载实验装置，包括支架、固定安装在支架上的第一固线夹和第二固线夹、固定安装在支架上的第一定滑轮和第二定滑轮以及用于施加预应力的第一动滑轮和第二动滑轮；其中：光纤的一端由第一固线夹夹持，另一端依次绕过第一动滑轮、第一定滑轮、第二定滑轮和第二动滑轮后，由第二固线夹夹持；第一动滑轮和第二动滑轮的下方悬挂质量相等的砝码，对第一动滑轮和第二动滑轮产生向下的拉力，进而对光纤施加预应力。

进一步的，实验装置还包括柱形筒和穿孔板，其中：穿孔板水平放置在柱形筒内的中下部，且其外径与柱形筒的内径相匹配；穿孔板上至少设置有两个位置相互对称的第一通孔和第二通孔，光纤在绕过第一定滑轮后依次穿过穿孔板上的第一通孔和第二通孔，再绕过第二定滑轮；柱形筒内的穿孔板下方填装缓冲材料，柱形筒内的穿孔板上方填装有成分均匀的模型材料。

进一步的，实验装置还包括设有U型凹槽的绕线卡槽，其中：绕线卡槽安装在穿孔板的下方，且U型凹槽的两端分别与第一通孔和第二通孔相衔接；光纤穿过第一通孔后，绕入U型卡槽后再穿过第二通孔。

进一步的，第一动滑轮与第二动滑轮分别通过第一弹簧和第二弹簧连接在支架上。

进一步的，支架包括横杆、第一竖杆、第二竖杆，其中：横杆的两端分别固定在第一竖杆和第二竖杆的上端。

进一步的，横杆和第一竖杆、第二竖杆均为可伸缩结构。

进一步的，光纤上设有增阻点。