[发明专利]基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置

说明书

本发明公开了一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，其特征在于，监测装置包括激光器、分布式传感光纤、电光调制器、光放大器、环形器、耦合器、M‑Z干涉仪、光探测器、数字处理器、数据通信和传输模块；分布式传感光纤和电光调制器组成光纤传感系统，经过光纤传感系统的光信号被光放大器、光滤波器、光探测器采集，将采集到的处理数据传输到微控制器，数字处理器将数据进分析和处理，数据通信和传输模块将监测数据结果传输到云平台，或远端控制测量系统发送控制命令进行任意时刻的测量。本发明能详细地检测出深埋于工程结构内部的光纤沿线各点的温度和应变等信息，实现实时监测、及时预警。

技术领域

本发明属于深部水平位移监测技术领域，涉及一种基于布里渊散射光纤的深部水平位移监测装置，可以对土石坝、堤防、铁路公路边坡、岩土边坡、建筑物地基、矿井、基坑开挖以及地下结构工程内部进行自动化、高精度、变形位置可预测地实时动态监测。

背景技术

为了减少滑坡灾害带来的损失，深部水平位移监测方法被广泛应用于边坡、滑坡和城市深基坑监测中，对其安全状况进行评价及发展趋势进行预测。边坡深部位移监测是边坡监测体系中的重要环节，主要内容为对边坡体上所布设钻孔的垂向和水平向位移进行测量，以查明边坡不同部位的位移大小等。

目前常用的深部位移监测技术主要有钻孔测斜仪、拉线式深部位移计、多点位移计和时域反射技术等。然而，滑动式位移计由于每次测量工程中需要沿测斜管上下移动探头，尚无法实现自动化测；固定式测斜仪量程一般为±10°，当边坡变形超出其量程时，固定测量仪则无法继续进行监测；拉线式深部位移计只能测得相对位移量，无法确定边坡变形方向，且不能预先为其设定监测方向。时域反射技术脉冲信号易受干扰，且无法准确确定边坡变形方向，难以得到准确的监测。

由于光纤传感器具有体积小、抗干扰能力强、便于埋入材料或结构内部进行无损检测、动态范围宽、灵敏度高等特点，使其相对于传统的传感器有着明显的优势，同时在工程实际中有着非常好的应用前景。光纤传感器通常分为电点式、准分布式和全分布式。分布式光纤传感器的优势是能够连续测量光纤沿线各点处的温度、应变等传感参数，并且传输距离远，更适用于边坡、基坑等工程的水平位移检测中。

如布里渊散射光纤技术：

(一)布里渊散射光纤传感机理

布里渊散射是光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，它是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，其频率变化表征了元激发的能量，可以研究气体、液体和固体中的声学振动。在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受邀散射两种形式表现出来。布里渊散射光相对于入射光有一个频移，称为布里渊频移。

光纤布里渊频移与温度和应变的变化可表示为：

δ_νB＝C_νTδT_Z+C_ντδε_Z

式中，δ_νB是布里渊频移变化量，是布里渊功率相对变化量；δT_z及δε_Z分别为光纤的度和应变的变化量；C_νT及C_ντ分别为布里渊频移温度系数和应变系数；C_PT及C_Pε分别为布里渊功率的温度系数和应变系数。

从布里渊频移与温度和应变的关系，可以看出布里渊频移收温度和应变的直接影响。求得温度变化量δT_z和频应变变化量δε_Z，即可实现对温度和应变的同时测量。

现有基于布里渊散射的分布式光纤传感器主要集中于三方面的研究：布里渊光时域反射(BODTR)技术，布里渊光是与分析(BODTA)技术，以及布里渊光频域分析(BOFDA)技术。BOTDR技术空间分辨率高、探测距离长，国内外的研究也已有比较成熟的研究成果。