專利名稱：一種用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木工程測(cè)試儀器領(lǐng)域，涉及巖土工程、邊坡工程、隧道工程中巖土體
或結(jié)構(gòu)物的變形、沉降、滑移、離層等現(xiàn)象的大變形量測(cè)。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)外的巖土體應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)中，大多數(shù)采用測(cè)斜管、壓力計(jì)和位移計(jì)等單點(diǎn)式 測(cè)量方法，由于巖土體變形的復(fù)雜性，尤其是其變形的不連續(xù)性，當(dāng)傳感器隨巖土體產(chǎn)生整 體變形時(shí)，無(wú)法得到真實(shí)的測(cè)量結(jié)果，同時(shí)由于點(diǎn)測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)分布式連續(xù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而無(wú) 法得到有效、準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。 分布式光纖傳感技術(shù)是在上世紀(jì)七十年代伴隨著光纖通信的蓬勃發(fā)展而提出來(lái) 的，它與光時(shí)域反射技術(shù)密切結(jié)合迅速崛起，經(jīng)過幾十年的發(fā)展而在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。主 要包括基于瑞麗后向散射的傳感技術(shù)、基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)、基于拉曼 后向散射的溫度傳感技術(shù)以及偏振模耦合分布式光纖傳感技術(shù)。在土木工程測(cè)試領(lǐng)域，基 于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。隨著分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，不 僅可以準(zhǔn)確測(cè)量區(qū)域內(nèi)的變形，而且能夠?qū)ψ冃尾课贿M(jìn)行精確定位，使得巖土體變形監(jiān)測(cè) 能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確量測(cè)。但目前在采用分布式光纖的巖土體變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，組成光纖線 路或光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖直接或間接承受外部變形，光纖會(huì)產(chǎn)生較大變形，尤其在邊坡巖土體 變形測(cè)量時(shí)，由于光纖本身所能承受的變形量很小，導(dǎo)致系統(tǒng)量程較低，無(wú)法推廣到大變形 巖土工程監(jiān)測(cè)中。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是在于解決上述之不足，提出的可測(cè)量大變形的分布式光纖傳感器， 其主體結(jié)構(gòu)由金屬桿體與內(nèi)置光纖的外層橡膠體組成，兩根光纖按照螺旋狀布設(shè)于外層橡 膠體表層，以實(shí)現(xiàn)大變形巖土工程監(jiān)測(cè)。 本發(fā)明包括金屬桿體5、內(nèi)置光纖的外層橡膠體6，應(yīng)變測(cè)量的光纖一 1和光纖二 2、松馳狀溫度校正光纖三3和光纖四4、連接套筒內(nèi)層金屬管9、連接套筒外層橡膠體8，還 包括以下特征 1)外層橡膠體6套于金屬桿體5外部，金屬桿體5與外層橡膠體6之間設(shè)置潤(rùn)滑 層11。 2)光纖一 1和光纖二 2螺旋狀布設(shè)于傳感器外層橡膠體6內(nèi)，與外層橡膠體6共
同變形，量測(cè)因巖土體變形及溫度改變產(chǎn)生的變形，外層橡膠體6內(nèi)設(shè)預(yù)留孔7，光纖三3和
光纖四4呈松弛狀態(tài)穿過，量測(cè)因溫度改變產(chǎn)生的變形，作為溫度校正。 3)在數(shù)據(jù)采集端，光纖一 1、光纖二2、光纖三3、光纖四4通過設(shè)在傳感器端部的
光纖出口 12引出，并通過連接插頭17連接分布式光纖解調(diào)儀19，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 4)外層橡膠體6和連接套筒外層橡膠體8表面均呈粗糙狀，以利于與被測(cè)對(duì)象緊
密粘結(jié)。[0010] 5)通過連接套筒連接多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)大范圍的變形測(cè)量。連接套筒由連接套筒內(nèi)層金屬管9和連接套筒外層橡膠體8構(gòu)成，連接套筒外層橡膠體8內(nèi)表面與連接套筒內(nèi)層金屬管9之間設(shè)潤(rùn)滑層ll，可相對(duì)運(yùn)動(dòng)。連接套筒內(nèi)層金屬管9與傳感器金屬桿體5實(shí)現(xiàn)螺紋連接。 6)當(dāng)測(cè)量不考慮溫度效應(yīng)時(shí)，可不包括傳感器內(nèi)布設(shè)的松馳狀溫度校正光纖三3和光纖四4。 7)所述光纖一 (1)和光纖二 (2)和外層橡膠體(6)粘結(jié)，共同變形。 8)非數(shù)據(jù)采集端的光纖一 1和光纖二 2直接熔接或使用光纖接頭組成回路，光纖
三3和光纖四4直接熔接或使用光纖接頭組成回路。 傳感器主體結(jié)構(gòu)由金屬桿體與內(nèi)置光纖的外層橡膠體組成，高強(qiáng)度的金屬桿體有利于保證傳感器的剛度，利于傳感器的安裝；金屬桿體與外層橡膠體之間設(shè)置潤(rùn)滑層，可保證巖土體的變形不受傳感器金屬桿體剛度的影響，確保變形量測(cè)量的準(zhǔn)確性；易變形的外層橡膠體可與被測(cè)對(duì)象共同變形，確保變形的有效傳遞；外層橡膠體表面設(shè)置為粗糙表面，確保與被測(cè)對(duì)象的緊密接觸，提高測(cè)量精度。 外層橡膠體內(nèi)布設(shè)四根光纖，其中兩根光纖(光纖一、光纖二)按照螺旋狀布設(shè)于外層橡膠體表層，與橡膠體組成實(shí)體，共同變形，傳感器橡膠體外層表面和被測(cè)對(duì)象緊密結(jié)合，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生變形時(shí)，引起傳感器外層橡膠體軸向變形，但內(nèi)布光纖呈螺旋狀，沿光纖軸向僅發(fā)生微小變形，有利于消除沿傳感器軸向不均勻變形及其它原因造成的測(cè)量誤差；同時(shí)在外層橡膠體層內(nèi)設(shè)預(yù)留孔，孔內(nèi)布設(shè)另外兩根光纖(光纖三、光纖四)，連接組成回路，作為溫度補(bǔ)償，可消除溫度效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。外部巖土體變形引起傳感器外層橡膠體沿軸向變形時(shí)，由于用于量測(cè)變形的光纖按照螺旋狀布設(shè)，沿光纖軸向僅發(fā)生微小變形，從而實(shí)現(xiàn)大變形量測(cè)。 變形測(cè)量時(shí)，對(duì)于需要進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)的工程對(duì)象，可采用連接套筒連接多個(gè)傳感器的方式進(jìn)行量測(cè)。 大變形量測(cè)分布式光纖傳感器涉及巖土工程、邊坡工程、隧道工程中巖土體或結(jié)構(gòu)物的變形、沉降、滑移、離層等現(xiàn)象的大變形量測(cè)，并且該傳感器安裝方便，克服了分布式光纖布設(shè)的困難，推廣了分布式光纖技術(shù)在土木工程測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用。

圖1傳感器結(jié)構(gòu)縱剖面圖 圖2傳感器結(jié)構(gòu)A-A剖面 圖3傳感器結(jié)構(gòu)B-B剖面 圖4傳感器連接示意圖 圖5傳感器連接D-D剖面 圖6連接套筒縱剖面圖 圖7連接套筒E-E剖面 圖8傳感器間光纖連接示意圖 圖9數(shù)據(jù)采集端光纖連接示意圖 圖10非數(shù)據(jù)采集端光纖連接示意圖
4[0028] 圖中1一-光纖一、2-—光纖二、3-—光纖三、4-一光纖四、5-—金屬桿體、 6-—外層橡膠體、7-—橡膠體內(nèi)預(yù)留孔、8-—連接套筒外層橡膠體、9-一連接套筒內(nèi)層金 屬管、11-一潤(rùn)滑層、12-—傳感器端部光纖出口 、 13-—傳感器外層表面、14-一非數(shù)據(jù)采集 端連接光纖、15-—連接套筒外層表面、17-—光纖連接插頭、18-—光纜、19-一分布式光纖 解調(diào)儀、20-—連接螺紋、51-—連接光纖一 、52-—連接光纖二 、 53-—連接光纖三、54-—連 接光纖四
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。 圖1、圖2、圖3是傳感器結(jié)構(gòu)縱剖面圖和A-A、B-B剖面圖。如圖所示，傳感器主要 由內(nèi)層金屬桿體5、外層橡膠體6和四根光纖構(gòu)成，外層橡膠體6和金屬桿體5之間設(shè)潤(rùn)滑 層ll，可確保外層橡膠體與金屬桿體能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。傳感器外層(橡膠體外)表面13粗 糙，能與被測(cè)對(duì)象(如巖土體)緊密結(jié)合，形成共同變形體，橡膠體層內(nèi)設(shè)預(yù)留孔7，橡膠體 兩端設(shè)有光纖出口 12。四根光纖中的光纖三3、光纖四4為溫度校正光纖，呈松弛狀態(tài)布設(shè) 在橡膠體預(yù)留孔7中，光纖長(zhǎng)度大于傳感器長(zhǎng)度的1. 2倍(即留有超過20%的變形空間)， 被測(cè)對(duì)象和橡膠體變形時(shí)溫度校正光纖本身不發(fā)生變形；另外兩根光纖(光纖一 1、光纖二 2)為變形量測(cè)光纖，一根光纖按螺旋狀布設(shè)于外層橡膠體6中，另外一根按反向螺旋布設(shè) 于外層橡膠體6中。內(nèi)層金屬桿體5兩端設(shè)有連接螺紋20。 圖4、圖5是傳感器安裝連接示意及其剖面圖。安裝時(shí)，利用連接套筒將二個(gè)傳感 器進(jìn)行螺紋連接。 圖6、圖7是連接套筒剖面圖。如圖所示，連接套筒由內(nèi)層金屬管9和外層橡膠體 8構(gòu)成。內(nèi)層金屬管9內(nèi)表面設(shè)有與傳感器端頭配套的螺紋20，外表面光滑；外層橡膠體外 表面15粗糙，內(nèi)側(cè)面光滑；橡膠體8內(nèi)表面和金屬管9外表面之間設(shè)潤(rùn)滑層ll，可確保二 者之間能自由地相對(duì)移動(dòng)。 圖8是傳感器之間的光纖連接圖。當(dāng)多個(gè)傳感器通過連接套筒連接時(shí)，通過各傳 感器端部的光纖出口 12分別將各根光纖引出，采用直接熔接或使用光纖接頭的方法連接 各根對(duì)應(yīng)光纖，即圖中相鄰傳感器對(duì)應(yīng)的光纖分別采用連接光纖一 51，連接光纖二 52，連 接光纖三53，連接光纖四54進(jìn)行連接。 圖9是數(shù)據(jù)采集端光纖連接圖。在需要采集數(shù)據(jù)的傳感器端，通過傳感器端光纖 出口引出各根光纖后，通過光纜18和插頭17連接至分布式光纖解調(diào)儀19。其中，光纖三3 和光纖四4連接至光纖解調(diào)儀19組成量測(cè)回路，量測(cè)因溫度改變產(chǎn)生的變形，作為變形量 測(cè)時(shí)的溫度補(bǔ)償。光纖一 1和光纖二 2連接組成測(cè)量回路至光纖解調(diào)儀19，量測(cè)因巖土體 變形及溫度改變產(chǎn)生的變形，修正后可得到由巖土體變形導(dǎo)致的光纖變形。 圖10是非數(shù)據(jù)端光纖連接圖。在非數(shù)據(jù)采集端，引出的每根光纖，采用直接熔接 或使用光纖接頭的方法將量測(cè)變形光纖(光纖一 l和光纖二2)和溫度校正光纖(光纖三 3和光纖四4)分別連接，組成兩個(gè)測(cè)量回路。 變形量測(cè)時(shí)，被測(cè)對(duì)象(如巖土體)變形引起傳感器外層橡膠體6軸向變形，但內(nèi)
布光纖呈螺旋狀或松馳狀，沿光纖軸向僅發(fā)生微小變形，從而實(shí)現(xiàn)大變形量測(cè)。 本傳感器能夠進(jìn)行大變形監(jiān)測(cè)。適用于公路、建筑、礦業(yè)等領(lǐng)域。同時(shí)，本發(fā)明加工方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉c
權(quán)利要求一種用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，其特征是包括金屬桿體(5)、內(nèi)置光纖的外層橡膠體(6)，應(yīng)變測(cè)量的光纖一(1)和光纖二(2)、松馳狀溫度校正光纖三(3)和光纖四(4)、連接套筒內(nèi)層金屬管(9)、連接套筒外層橡膠體(8)、光纖出口(12)。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，其特征是外層橡膠體(6)套于金屬桿體(5)外部，金屬桿體(5)與外層橡膠體(6)之間設(shè)置潤(rùn)滑層(11)。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，其特征是光纖一 (1)和光纖二 (2)螺旋狀布設(shè)于傳感器外層橡膠體(6)內(nèi)，與外層橡膠體(6)共同變形，外層橡膠體(6)內(nèi)設(shè)預(yù)留孔(7)，光纖三(3)和光纖四(4)呈松弛狀態(tài)穿過，作為溫度校正。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，其特征是在數(shù)據(jù)采集端，光纖一 (D、光纖二 (2)、光纖三(3)、光纖四(4)通過設(shè)在傳感器端部的光纖出口 (12)引出，并通過連接插頭(17)連接分布式光纖解調(diào)儀(19)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，其特征是所述外層橡膠體(6)和連接套筒外層橡膠體(8)表面均呈粗糙狀。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，其特征是連接套筒外層橡膠體(8)內(nèi)表面與內(nèi)層金屬管(9)之間設(shè)潤(rùn)滑層(ll)，連接套筒內(nèi)層金屬管(9)與傳感器金屬桿體(5)實(shí)現(xiàn)螺紋連接。
7. 如權(quán)利要求1所述的用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，其特征是當(dāng)測(cè)量不考慮溫度效應(yīng)時(shí)，不包括光纖三(3)和光纖四(4)。
8. 如權(quán)利要求1所述的用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，其特征是所述光纖一(1)和光纖二 (2)和外層橡膠體(6)粘結(jié)，共同變形。
9. 如權(quán)利要求3或5所述的用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，其特征是非數(shù)據(jù)采集端的光纖一 (1)和光纖二 (2)直接熔接或使用光纖接頭組成回路，光纖三(3)和光纖四(4)直接熔接或使用光纖接頭組成回路。
專利摘要一種用于大變形量測(cè)的分布式光纖傳感器，屬于土木工程測(cè)試儀器領(lǐng)域。本傳感器主體結(jié)構(gòu)由金屬桿體與內(nèi)置光纖的外層橡膠體組成，金屬桿體與外層橡膠體之間設(shè)置潤(rùn)滑層，外層橡膠體內(nèi)布設(shè)四根光纖，其中兩根光纖按照螺旋狀布設(shè)于外層橡膠體表層，與橡膠體組成實(shí)體，共同變形，同時(shí)在外層橡膠體層內(nèi)設(shè)預(yù)留孔，孔內(nèi)布設(shè)另外兩根光纖，連接組成回路，作為溫度補(bǔ)償，可消除溫度效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。測(cè)量時(shí)，外部巖土體變形引起傳感器外層橡膠體沿軸向變形，由于用于量測(cè)變形的光纖按照螺旋狀布設(shè)，沿光纖軸向僅發(fā)生微小變形，從而實(shí)現(xiàn)大變形量測(cè)。本傳感器可應(yīng)用于土木工程、采礦工程等領(lǐng)域中的巖土體或結(jié)構(gòu)物的沉降、滑移、離層等現(xiàn)象的大變形量測(cè)，加工方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。
文檔編號(hào)G01B11/16GK201548208SQ20092027797
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者劉洋, 吳順川, 高利立 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)