專利名稱：蛇形光纖傳感器埋入與測(cè)試方法及其蛇形光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器的埋入與測(cè)試方法及其光纖傳感器，特別適用于低強(qiáng)度、大變形結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的蛇形光纖傳感器埋入與測(cè)試方法及其蛇形光纖傳感器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，一些科技先進(jìn)國(guó)家正在研究一種新穎的復(fù)合材料的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與損傷估計(jì)方法—光纖機(jī)敏材料與結(jié)構(gòu)，把光纖傳感系統(tǒng)埋入建筑結(jié)構(gòu)形成智能建筑材料，即在材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋入光纖傳感器，探測(cè)其在使用、運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化，并對(duì)由于外部荷載、材料疲勞產(chǎn)生的變形、裂紋、層解等損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在航空航天、軍事、復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用以外，近年來(lái)智能材料與結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，用于地震造成的結(jié)構(gòu)損傷和破壞、管道破壞的觀測(cè)。
1989年美國(guó)布朗大學(xué)(Brown University)的門德斯(Mendez)等人首先提出了光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，從此以后，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)等投入了大量力量研究埋入式光纖傳感器在機(jī)敏土建結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。Mendez、Wanser和Voss等利用多模光纖OTDR光時(shí)域反射技術(shù)(Optical Time Domain Reflectometer簡(jiǎn)稱OTDR)檢測(cè)裂縫和滑移；Ansari將光纖埋入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行實(shí)時(shí)的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)；黃尚廉(1992)、姜德生(1998)開(kāi)展了光纖機(jī)敏土建結(jié)構(gòu)的研究，并應(yīng)用于巖土工程中；劉浩吾、楊朝輝等人基于裂縫傳感的光學(xué)和力學(xué)原理，提出了新型轉(zhuǎn)換機(jī)制—斜交光纖傳感形式。其中尤以美國(guó)的韋爾蒙特大學(xué)(Vermont University)的研究成果最為突出，他們將各種光纖傳感器分別埋入到民用建筑、高層建筑、人行天橋、州際公路橋、鐵路橋及水電大壩中，以檢測(cè)結(jié)構(gòu)或建筑物內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動(dòng)，結(jié)構(gòu)損傷程度，裂縫的發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)。
目前許多光纖傳感器可用于應(yīng)變、位移的檢測(cè)，最大檢測(cè)應(yīng)變?cè)?％(或104με)以內(nèi)。為了適應(yīng)變形的發(fā)展，基于微彎損耗的纏繞式、套管式和微彎器式微彎傳感器先后出現(xiàn)。
(1)纏繞式微彎傳感器參照?qǐng)D1所示，采用多模光纖纏繞在一根鋼絲繩索上，兩端用特種膠粘固形成，當(dāng)鋼繩受軸向應(yīng)力作用而被拉伸時(shí)，光纖1也一起跟著被拉緊，形成光纖微彎。將普通通信光纖1(芯徑為62.5/125μm，被覆層直徑0.25mm)螺旋地緊密纏繞在直徑為0.9mm由7股細(xì)鋼絲組成的鋼絲繩上，然后用環(huán)氧樹(shù)脂加以保護(hù)，形成直徑5mm的桿狀結(jié)構(gòu)。
(2)套管式微彎傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，光纜中有一根通信光纖1，用一根聚合纖維螺旋形纏繞在光纖1上，外部由包層套管固定。當(dāng)光纜外部受壓時(shí)，套管限制了聚合螺旋纖維的變形，變形施加在內(nèi)部的光纖上，形成周期性變形。當(dāng)增大外部擾動(dòng)時(shí)，多模光纖就會(huì)有很高的損耗。
(3)微彎器傳感器圖3為光纖微彎器傳感器示意圖，微彎結(jié)構(gòu)由一對(duì)空間周期為Λ的齒形板組成，光纖1從齒形板中間穿過(guò)，在齒形板的作用下產(chǎn)生周期性的彎曲。當(dāng)齒形板受外部擾動(dòng)時(shí)，光纖的微彎程度隨之變化，從而導(dǎo)致輸出光強(qiáng)的改變。通過(guò)測(cè)試輸出光強(qiáng)的變化間接的測(cè)量外部擾動(dòng)的大小。
圖4、圖5所示，裸露光纖1直接埋入時(shí)，巖層變形與光纖損耗沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，不能監(jiān)測(cè)出巖層變形。分析表明，光纖1沒(méi)有隨巖層變形而變形，而是破壞了巖層的整體性，嵌入巖層，難以產(chǎn)生有效微彎，光纖1在巖層垮落或自然過(guò)渡破壞中產(chǎn)生不了反射信號(hào)的典型臺(tái)階損耗波形，因此，存在著光纖機(jī)敏材料的制備與傳感技術(shù)問(wèn)題。
但目前在研究光纖機(jī)敏材料與結(jié)構(gòu)方面，集中于探索光纖傳感器埋入鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中(如建筑物、橋梁、大壩)進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性無(wú)損評(píng)估、內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)，共同特點(diǎn)是將光纖用于混凝土等強(qiáng)度高于光纖石英玻璃的結(jié)構(gòu)中，允許的裂隙變形破壞小(小于6mm)。但是，目前存在著低強(qiáng)度、變形量大的大量巖土工程，如城市地鐵工程、高層建筑基礎(chǔ)、深基坑、巨厚松散層、厚黃土下開(kāi)采等領(lǐng)域的圍巖變形還沒(méi)有一種有效的方法和裝置用光纖對(duì)這類材料變形破壞進(jìn)行檢測(cè)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種根據(jù)光纖與模型材料的靜力、動(dòng)力相互作用，對(duì)低強(qiáng)度、大變形材料結(jié)構(gòu)采用蛇形光纖傳感器埋入與測(cè)試方法。
本發(fā)明的另一發(fā)明目的是提供一種蛇形光纖傳感器。
實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的的技術(shù)方案是這樣解決的A、蛇形光纖傳感器埋入方法I、選取光纖規(guī)格，制作光纖傳感器；II、準(zhǔn)備制作試件的各種材料，試件制作并在預(yù)計(jì)的疊層間按設(shè)計(jì)方案埋入光纖傳感器；III、在層合材料埋入蛇形光纖傳感器，蛇形光纖傳感器放在層合材料的疊層之間；在制作試件時(shí)用力均勻，保證蛇形光纖傳感器的成活率；IV、埋入模型蛇形光纖傳感器長(zhǎng)度視模型規(guī)格而定，模型外兩側(cè)各留0.5～1m的長(zhǎng)度以備連接，光纖出模型的位置兩端加裝保護(hù)裝置；V、模型準(zhǔn)備完畢后，采用熔接機(jī)連接光纖傳感器和過(guò)渡光纖，并對(duì)OTDR進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。
B、測(cè)試方法I、通過(guò)局部彎損的方法，確定光纖測(cè)試系統(tǒng)中光纖傳感器的具體位置；II、損耗初值測(cè)試，模型煤層開(kāi)挖過(guò)程中，在每一次開(kāi)挖后，測(cè)試光纖測(cè)試系統(tǒng)損耗變化曲線；
III、模型巖層的變形和破壞情況觀測(cè)；IV、光時(shí)域反射儀OTDR計(jì)算機(jī)程序處理測(cè)試結(jié)果。
上述光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)，光纖布置在巖體結(jié)構(gòu)中，不管結(jié)構(gòu)何處的應(yīng)力、變形和裂縫，都可以被監(jiān)測(cè)到，亦可以對(duì)0～50cm裂縫寬度或變形量范圍的變形或破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
C、蛇形光纖傳感器包括由套管和裸露光纖組成，其本發(fā)明的顯著特點(diǎn)是裸露光纖的外徑上套有套管，兩端與保護(hù)裝置連接，在裸露光纖的外徑上串聯(lián)連接兩根或兩根以上長(zhǎng)度10～20mm或12～18mm范圍的圓筒短節(jié)套管，由圓筒短節(jié)套管組成蛇形光纖傳感器。上述保護(hù)裝置是指由于光纖很細(xì)，在埋入和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中容易出現(xiàn)在剛出模型的位置發(fā)生意外斷裂或誤操作斷裂，因此需要加一段套管保護(hù)這一位置的光纖，這一位置的套管，只起保護(hù)作用稱為保護(hù)裝置。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)(1)目前已有的光纖傳感器主要用于混凝土等高強(qiáng)度材料的結(jié)構(gòu)檢測(cè)，該傳感器可用于強(qiáng)度低于玻璃石英的巖體變形監(jiān)測(cè)。
(2)該傳感器可用于大變形量的巖體裂隙產(chǎn)生和發(fā)展的監(jiān)測(cè)，實(shí)際應(yīng)用中，基體材料與套管接觸，形成粘接，而光纖在套管中呈“自由”狀態(tài)，隨巖層垮落變形而變形，可以測(cè)試大范圍巖體破壞，巖層垮落形成損耗臺(tái)階。
(3)蛇形光纖傳感器既可以進(jìn)行微觀變形監(jiān)測(cè)，又可以用于宏觀變形監(jiān)測(cè)。由于套管安裝的不平整，光纖可形成多個(gè)微彎點(diǎn)，材料的變形一旦對(duì)他們構(gòu)成影響，這些微彎點(diǎn)就成為非常敏感的微彎傳感器，反映出這些變化，因此光纖傳感器可以捕捉到巖層的初始變形，甚至是材料的損傷，其精確度達(dá)到±0.01mm。而其宏觀變形達(dá)到35～50mm，遠(yuǎn)高于對(duì)混凝土變形測(cè)試。
(4)實(shí)現(xiàn)了分布式光纖檢測(cè)，光纖與測(cè)試儀器連接、使用方便，測(cè)試穩(wěn)定，精確度高。
(5)巖層在垮落過(guò)程中具有明顯的時(shí)序性，即依次發(fā)展，光纖損耗值與垮落具有相關(guān)性，可以分辨出變形的過(guò)程和垮落的過(guò)程?？捎糜诿旱V巖層移動(dòng)、煤柱穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)及測(cè)試基材變形的范圍。
(6)與其它檢測(cè)方法對(duì)比，光纖檢測(cè)具有高的精確度。
表2 檢測(cè)精度比較



圖1、圖2為現(xiàn)有技術(shù)纏繞式微彎傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)微彎器傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)巖層垮落結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為現(xiàn)有技術(shù)巖層自然過(guò)渡破壞結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為蛇形光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為蛇形光纖傳感器微彎結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為蛇形光纖傳感器宏彎結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為蛇形光纖傳感器的埋入結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為光纖彎曲示意圖；圖11為光纖傳感器布置及測(cè)試系統(tǒng)示意圖；圖12為1.2m模型開(kāi)采過(guò)程中光纖傳感器損耗與推進(jìn)距離的關(guān)系曲線示意圖；圖13為巖梁變形的分布式光纖測(cè)試系統(tǒng)示意圖；圖14 OTDR屏幕損耗顯示示意圖。
具體實(shí)施例方式
附圖為背景技術(shù)與本發(fā)明的實(shí)施例。
下面結(jié)合本發(fā)明的附圖對(duì)發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明提供的是在實(shí)驗(yàn)室相似材料模型試驗(yàn)時(shí)采集的附圖。
1、蛇形光纖傳感器的埋入方法依次按下述步驟進(jìn)行I、選取光纖規(guī)格，制作光纖傳感器；II、準(zhǔn)備制作試件的各種材料，試件制作并在預(yù)計(jì)的疊層間按設(shè)計(jì)方案埋入光纖傳感器；III、在層合材料埋入蛇形光纖傳感器，蛇形光纖傳感器放在層合材料的疊層之間；在制作試件時(shí)用力均勻，保證蛇形光纖傳感器的成活率；IV、埋入模型蛇形光纖傳感器長(zhǎng)度視模型規(guī)格而定，模型外兩側(cè)各留0.5～1m的長(zhǎng)度以備連接，光纖出模型的位置兩端加裝保護(hù)裝置；V、模型準(zhǔn)備完畢后，采用熔接機(jī)連接光纖傳感器和過(guò)渡光纖，并對(duì)OTDR進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。
2、蛇形光纖傳感器的模型或現(xiàn)場(chǎng)巖土層對(duì)于巖土層的變形和破壞測(cè)試方法，依次按下述步驟進(jìn)行I、通過(guò)局部彎損的方法，確定光纖測(cè)試系統(tǒng)中光纖傳感器的具體位置；II、損耗初值測(cè)試，模型煤層開(kāi)挖過(guò)程中，在每一次開(kāi)挖后，測(cè)試光纖測(cè)試系統(tǒng)損耗變化曲線；III、模型巖層的變形和破壞情況觀測(cè)；IV、光時(shí)域反射儀OTDR計(jì)算機(jī)程序處理測(cè)試結(jié)果，光時(shí)域反射儀OTDR是用于檢驗(yàn)光纖損耗特性、光纖故障的儀器，測(cè)試的是光纖測(cè)試系統(tǒng)沿全程的損耗。當(dāng)埋入模型的光纖發(fā)生變形時(shí)，該處光纖的損耗就較高。反過(guò)來(lái)，可根據(jù)光纖損耗結(jié)果來(lái)判斷光纖埋設(shè)處的材料受力、損傷狀況，同時(shí)可以確定出材料受力、損傷所在的位置。參數(shù)設(shè)定主要依據(jù)光纖測(cè)試系統(tǒng)的長(zhǎng)度。OTDR測(cè)試的光纖測(cè)試系統(tǒng)損耗變化曲線實(shí)際上為一組曲線，每一個(gè)測(cè)試時(shí)刻有一條，每一條曲線都反映的是光纖測(cè)試系統(tǒng)的長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)位置的損耗值。每一個(gè)時(shí)刻測(cè)試曲線形成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，存入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)程序處理是根據(jù)光時(shí)域反射儀OTDR測(cè)試結(jié)果，用OTDR專用程序，在計(jì)算機(jī)上讀取每一條測(cè)試曲線上不同位置的損耗值，如找出埋入模型的光纖傳感器對(duì)應(yīng)位置處的損耗值。其處理過(guò)程可以隨時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有保存和隨時(shí)分析的特點(diǎn)。而每一個(gè)測(cè)試時(shí)刻又反映出的是模型實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的巖層變形狀況，因此，模型巖層的變形與損耗形成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
參照?qǐng)D6所示，包括光纖1的外徑上套有套管3，還包括光纖1的一端與保護(hù)裝置2連接，在光纖1的外徑上串聯(lián)連接兩根或兩根以上短節(jié)套管3，其短節(jié)套管3的長(zhǎng)度為10～20mm或12～18mm或14～16mm，直徑為1.4～2.5mm或1.6～2.0mm。
圖7、圖8所示，其傳感機(jī)理是微彎原理，當(dāng)套管3自然埋設(shè)不平或者變形不一致時(shí)，套管3與套管3之間就形成光纖1的微彎，材料的進(jìn)一步變形必然由于這些微彎點(diǎn)而通過(guò)光纖感知；當(dāng)材料出現(xiàn)大變形時(shí)，基體材料與套管3接觸形成牢固粘接，而光纖1在套管3中呈“自由”狀態(tài)位移，套管3限制了光纖1的變形，光纖1在宏觀變形彎曲中形成微彎點(diǎn)，隨巖層垮落出現(xiàn)損耗臺(tái)階反射信號(hào)。光纖1在宏觀彎曲中形成微彎的“交點(diǎn)”。根據(jù)光纖的傳輸原理，光纖的損耗是由于光纖局部的彎曲所致，反過(guò)來(lái)，要利用損耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，就必須使光纖1有高的損耗產(chǎn)生才行。然而，并不是有彎曲的地方光纖1就有損耗，必須是有效的微彎曲才能有損耗，用套管可以使光纖在變形中形成有損耗的微彎曲，微彎是套管3與套管3之間形成的，實(shí)際上是一段彎曲很厲害的光纖，由于它距離很短且很小，故稱為微彎的“交點(diǎn)”圖9為蛇形光纖傳感器的埋入結(jié)構(gòu)示意圖，光纖埋入法是在層合材料的埋入過(guò)程中，將光纖1放在層合材料的疊層之間。在模型巖層變形區(qū)域布置光纖傳感器，模型埋入過(guò)程中將光纖1放在巖梁與煤柱、開(kāi)采煤層之間，在巖梁中部放置百分表，擬觀察巖梁的變形及下沉量，在材料的層壓過(guò)程中使之與材料結(jié)合在一起，因光纖傳感器埋入內(nèi)部，可監(jiān)測(cè)材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)的變化與損傷。光纖1在材料內(nèi)的埋入方式較簡(jiǎn)單，采用手工或機(jī)械鋪貼均可，在預(yù)計(jì)的疊層間按設(shè)計(jì)方案埋入光纖1，埋入模型光纖段長(zhǎng)度視模型規(guī)格而定，模型外兩側(cè)各留0.5～1m的長(zhǎng)度以備連接。光纖埋入巖石材料時(shí)沒(méi)有溫度的作用，其成活率主要受操作影響。
光纖1埋入是實(shí)現(xiàn)巖土工程光纖檢測(cè)的第一步。光纖1在巖土工程中的埋設(shè)涉及到以下幾個(gè)基本問(wèn)題(1)光纖1如何無(wú)損傷地埋入巖土工程中；(2)光纖的合理布置及在結(jié)構(gòu)有效期內(nèi)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可靠性問(wèn)題；(3)光纖傳感器光纖/套管/基體材料三者界面的微觀力學(xué)問(wèn)題。光纖1在模型實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處于二種狀態(tài)，一種是光纖1隨巖層一起變形移動(dòng)狀態(tài)，另一種是巖層未變形破壞狀態(tài)。選擇二種狀態(tài)下的光纖1采用飛利浦XL20型帶電子探針(EDS)的電子掃描儀進(jìn)行掃描放大，光纖處于模型巖層破壞狀態(tài)下的掃描電鏡放大圖，放大350倍，光纖表面完好，僅有附著物，沒(méi)有腐蝕的缺陷。模型從鋪裝到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的間隔時(shí)間為1個(gè)月，由圖可以看出，相似材料模型實(shí)驗(yàn)中碳酸鈣(成份占10％)成份對(duì)光纖沒(méi)有腐蝕。
圖10為光纖彎曲示意圖，根據(jù)光纖彎曲損耗的簡(jiǎn)易計(jì)算方法，對(duì)彎曲損耗有影響的是波長(zhǎng)、彎曲半徑、彎曲數(shù)目和彎曲角度四個(gè)變量。一定的實(shí)驗(yàn)條件和光纖傳感器，波長(zhǎng)λ和彎曲半徑r為定值(r＝3.5mm)，只有彎曲數(shù)目N和彎曲角度θN隨著光纖傳感器的整體彎曲半徑R的變化而變化，光纖傳感器彎曲損耗計(jì)算式為Ttotal＝ζ1Nexp(ζ2θN)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，ζ1＝0.0046，ζ2＝0.0526。套管起到了以下的作用①增大光纖直徑與材料的接觸面積，減少了光纖對(duì)模型材料切割破壞的機(jī)會(huì)，使套管與材料界面的粘結(jié)牢固，有利于光纖的跟進(jìn)變形；②光纖在套管內(nèi)受到了保護(hù)，減小了不必要的變形彎曲，光纖又可以沿套管滑移，以適應(yīng)材料變形發(fā)展的需要，達(dá)到對(duì)大變形測(cè)試的目的；③光纖在變形的過(guò)程中由于套管的約束而形成微彎。套管外表面選用低模量材料，內(nèi)表面用與光纖一致的高模量材料。高模量材料指的是光纖的成份為氧化硅，其理論值為7.2×104Mpa，泊松比為0.17，套管內(nèi)表面用的高模量材料就是與上述彈性模量數(shù)值基本一致的材料該傳感器適用于巖土工程監(jiān)測(cè)，尤其是強(qiáng)度低于玻璃石英的巖體變形監(jiān)測(cè)中。
實(shí)施例11.2×0.12m平面應(yīng)力模型實(shí)驗(yàn)圖11為1.2×0.12m平面應(yīng)力模型實(shí)驗(yàn)架光纖傳感器布置及測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)材料為普通河砂、石膏、大白粉和云母粉，通過(guò)配比設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各類巖層的模擬。模型鋪裝高度50cm，幾何相似比100，容重比1.7，開(kāi)采煤層厚度3.5cm。埋入光纖傳感器三層，第3號(hào)光纖埋設(shè)在模型的泥巖中，該層位距煤層底板40.5cm；第2號(hào)光纖埋設(shè)在粉砂巖中，距煤層底板24cm；第1號(hào)光纖埋設(shè)在細(xì)砂巖中，距煤層底板7cm。測(cè)試系統(tǒng)光纖長(zhǎng)度2.178km，光纖1接入OTDR光時(shí)域反射儀。
圖12為1.2m模型開(kāi)采過(guò)程中光纖傳感器損耗與推進(jìn)距離的關(guān)系曲線圖，圖中光纖傳感器損耗值由OTDR測(cè)試的損耗曲線經(jīng)計(jì)算機(jī)處理所得，橫坐標(biāo)為模型工作面的推進(jìn)距離。工作面推進(jìn)至40cm時(shí)巖層出現(xiàn)垮落，垮落高度8cm；工作面推進(jìn)至50cm時(shí)巖層垮落至1號(hào)光纖(垮落高度10cm)；工作面推進(jìn)至60cm時(shí)巖層垮落至2號(hào)光纖(垮落高度16cm)；工作面推進(jìn)至75cm時(shí)巖層垮落高度23.5cm。在這里，用工作面推進(jìn)距離反映了模型巖層的變形過(guò)程。在巖層垮落前，光纖損耗有一個(gè)局部增大的階段，1號(hào)光纖損耗值增大15％，2號(hào)光纖損耗值增大13％；隨后隨工作面進(jìn)一步推進(jìn)又恢復(fù)到原值，或略有降低，但相對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。光纖傳感器可以檢測(cè)到巖層的初始變形(工作面推進(jìn)到20cm)，而傳統(tǒng)位移測(cè)試方法得出的巖層下沉量出現(xiàn)在工作面推進(jìn)到40cm時(shí)?？迓鋾r(shí)呈迅速增長(zhǎng)，1號(hào)光纖損耗值增大1.5倍，2號(hào)光纖損耗值增大2.17倍。
分析表明，模型巖層的變形與光纖損耗形成一定的關(guān)系，即是正變關(guān)系，但變形與光纖損耗的具體關(guān)系表達(dá)很難給出。就上述結(jié)果以足夠用于監(jiān)測(cè)中。
上覆巖層的破壞可以典型為圖13的形式，出現(xiàn)錯(cuò)距，光纖由于套管的作用出現(xiàn)扭結(jié)變形，形成反射信號(hào)的臺(tái)階損耗波形。
實(shí)施例22m模型巖梁實(shí)驗(yàn)圖13為2m模型實(shí)驗(yàn)情況。制作模型高度11.5cm，分層厚度1cm，煤層厚度3.5cm。巖梁中埋設(shè)光纖2層，第1號(hào)光纖埋設(shè)在距煤層底板5cm處，第2號(hào)光纖埋設(shè)在距煤柱、煤層底板8cm處。光纖1測(cè)試系統(tǒng)為串聯(lián)連接，各光纖傳感器通過(guò)一根光纖1串聯(lián)在一起，光纖1的一端接入OTDR光時(shí)域反射儀，由于實(shí)驗(yàn)使用的時(shí)域計(jì)空間分辨力在分米級(jí)范圍，為了準(zhǔn)確定位，在光纖傳感器間接入過(guò)渡光纖和尾纖。在巖梁中部安裝有百分表。
從模型中部向兩側(cè)逐步采出巖梁下的煤層(共10次開(kāi)挖)，使巖梁的跨度增大，最終達(dá)到垮落。用百分表測(cè)試巖梁中部的表面下沉量。
光時(shí)域反射儀屏幕顯示光纖測(cè)試系統(tǒng)損耗曲線見(jiàn)圖14，橫坐標(biāo)為距離，兩虛線之間的距離為50m，根據(jù)曲線的位置可以看出光纖測(cè)試系統(tǒng)的長(zhǎng)度；縱坐標(biāo)為光纖損耗，兩虛線之間的損耗為4dB。圖中由上至下依次為模型第1開(kāi)挖至第10次開(kāi)挖過(guò)程中測(cè)試的系統(tǒng)光纖損耗變化曲線，即是說(shuō)，每一次開(kāi)挖時(shí)刻對(duì)應(yīng)有一條測(cè)試損耗曲線。每一條曲線有都有兩個(gè)臺(tái)階，兩個(gè)臺(tái)階的位置分別在1.013km和1.081km處，這兩個(gè)位置正好是光纖傳感器的位置，由臺(tái)階的大小可以看出損耗變化的大小。隨巖梁的跨度增大，損耗臺(tái)階逐漸增大。
前述表明，蛇形光纖傳感器既實(shí)現(xiàn)了微觀變形監(jiān)測(cè)，又達(dá)到了宏觀變形監(jiān)測(cè)。利用該種蛇形光纖傳感器測(cè)試方法可以進(jìn)行大范圍巖體初始變形和破壞的測(cè)試，由此有可能在以下方面得到應(yīng)用。
(1)煤柱穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)在煤柱內(nèi)鉆孔埋設(shè)蛇形光纖傳感器，用OTDR在地面監(jiān)測(cè)煤柱的彈塑性變形、破壞過(guò)程，可以達(dá)到對(duì)煤柱穩(wěn)定性的判斷，有利于煤柱的穩(wěn)定設(shè)計(jì)。
(2)斷層、邊坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測(cè)在巖層可能的滑移面鉆孔安裝蛇形光纖傳感器，通過(guò)對(duì)滑移面錯(cuò)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，判斷斷層的活化和邊坡的穩(wěn)定性。
(3)錨桿、錨索使用質(zhì)量檢測(cè)在錨桿安裝時(shí)將蛇形光纖傳感器纏繞在錨桿上，監(jiān)測(cè)錨桿與錨固巖層的脫離情況，達(dá)到對(duì)錨桿受力的分析。
(4)巖層破壞范圍影響檢測(cè)沿巖層鉆孔安裝蛇形光纖傳感器，通過(guò)檢測(cè)深部巖層開(kāi)始離層或出現(xiàn)位移的位置，達(dá)到對(duì)巖層破壞范圍的確定。亦可用于確定巖層破壞影響角，為地表移動(dòng)規(guī)律的研究服務(wù)。
(5)土基體不均勻沉降監(jiān)測(cè)土基體不均勻沉降是影響建筑物破壞的主要因素，沿建筑物基礎(chǔ)安裝蛇形光纖傳感器，利用該蛇形傳感器在不同彎曲半徑時(shí)光纖的損耗變化，來(lái)判斷基礎(chǔ)的不均勻沉降，以及早期識(shí)別和發(fā)現(xiàn)。
綜上所述蛇形光纖傳感器埋入與測(cè)試方法除適應(yīng)相擬模型外，還適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)埋入蛇形光纖傳感器與測(cè)試，還可實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)，光纖布置在混凝土結(jié)構(gòu)中或巖層中或煤層或土層中，不管結(jié)構(gòu)何處的應(yīng)力、變形和裂縫，都可以被監(jiān)測(cè)到。
現(xiàn)場(chǎng)埋入蛇形光纖傳感器的方法與實(shí)驗(yàn)室一致即根據(jù)被測(cè)巖層的性質(zhì)，首先制作模擬巖層試件，將蛇形光纖傳感器同實(shí)驗(yàn)室的方法裝入其中；然后將制作的模擬巖層試件埋入預(yù)計(jì)測(cè)試位置。
權(quán)利要求
1.一種蛇形光纖傳感器埋入方法，其特征在于依次按下述步驟進(jìn)行I、選取光纖規(guī)格，制作光纖傳感器；II、準(zhǔn)備制作試件的各種材料，試件制作并在預(yù)計(jì)的疊層間按設(shè)計(jì)方案埋入光纖傳感器；III、在層合材料埋入蛇形光纖傳感器，蛇形光纖傳感器放在層合材料的疊層之間；在制作試件時(shí)用力均勻，保證蛇形光纖傳感器的成活率；IV、埋入模型蛇形光纖傳感器長(zhǎng)度視模型規(guī)格而定，模型外兩側(cè)各留(0.5～1m)的長(zhǎng)度以備連接，光纖出模型的位置兩端加裝保護(hù)裝置；V、模型準(zhǔn)備完畢后，采用熔接機(jī)連接光纖傳感器和過(guò)渡光纖，并對(duì)(OTDR)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的蛇形光纖傳感器埋入模型或現(xiàn)場(chǎng)巖土層對(duì)于巖土層的變形和破壞的測(cè)試方法，其特征在于依次按下述步驟進(jìn)行I、通過(guò)局部彎損的方法，確定光纖測(cè)試系統(tǒng)中光纖傳感器的具體位置；II、損耗初值測(cè)試，模型煤層開(kāi)挖過(guò)程中，在每一次開(kāi)挖后，測(cè)試光纖測(cè)試系統(tǒng)損耗變化曲線；III、模型巖層的變形和破壞情況觀測(cè)；IV、光時(shí)域反射儀OTDR計(jì)算機(jī)程序處理測(cè)試結(jié)果。
3.一種蛇形光纖傳感器，包括光纖(1)的外徑上套有套管(3)，以及兩端的保護(hù)裝置(2)，其特征在于在光纖(1)的外徑上串聯(lián)連接兩根或兩根以上短節(jié)套管(3)，其短節(jié)套管(3)的長(zhǎng)度為(10～20mm)，直徑為(1.4～2.5mm)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蛇形光纖傳感器，其特征在于所說(shuō)的套管，套管與套管之間形成蛇形光纖傳感器的微彎點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蛇形光纖傳感器，其特征在于所說(shuō)的套管外表面為低模量材料，內(nèi)表面為與光纖一致的高模量材料。
6.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求3所述的蛇形光纖傳感器的應(yīng)用，其特征在于可以用該傳感器對(duì)基材裂縫寬度或變形量(0～50cm)范圍的變形或破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及蛇形光纖傳感器埋入與測(cè)試方法及其蛇形光纖傳感器，方法包括制作光纖傳感器，埋入光纖傳感器。熔接機(jī)連接光纖傳感器和過(guò)渡光纖，確定光纖傳感器位置；損耗初值測(cè)試，開(kāi)挖后，測(cè)試光纖測(cè)試系統(tǒng)損耗變化曲線；巖層變形和破壞情況觀測(cè)；計(jì)算機(jī)程序處理OTDR測(cè)試數(shù)據(jù)整理。裸露光纖的外徑上套有套管，兩端有保護(hù)裝置。光纖可形成多個(gè)微彎點(diǎn)，可用于強(qiáng)度低于玻璃石英的巖體變形、大變形巖體裂隙產(chǎn)生和發(fā)展、微觀變形、宏觀變形監(jiān)測(cè)，可以捕捉到巖層初始變形，甚至是材料損傷，精確度達(dá)到±0.01mm。宏觀變形達(dá)到35～50mm，遠(yuǎn)高于對(duì)混凝土變形測(cè)試，分布式光纖檢測(cè)，光纖與測(cè)試儀器連接、使用方便，測(cè)試穩(wěn)定，精確度高。
文檔編號(hào)G01N35/00GK1588013SQ20041007302
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月24日
發(fā)明者柴敬 申請(qǐng)人:西安科技大學(xué)