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蛇形光纤传感器埋入与测试方法及其蛇形光纤传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感器的埋入与测试方法及其光纤传感器，特别适用于低强度、大变形结构监测的蛇形光纤传感器埋入与测试方法及其蛇形光纤传感器。
背景技术
近年来，一些科技先进国家正在研究一种新颖的复合材料的状态监测与损伤估计方法—光纤机敏材料与结构，把光纤传感系统埋入建筑结构形成智能建筑材料，即在材料与结构的关键部位埋入光纤传感器，探测其在使用、运行过程中内部应力、应变变化，并对由于外部荷载、材料疲劳产生的变形、裂纹、层解等损伤进行实时监测。在航空航天、军事、复合材料等领域的应用以外，近年来智能材料与结构已应用于岩土工程领域，用于地震造成的结构损伤和破坏、管道破坏的观测。
1989年美国布朗大学(Brown University)的门德斯(Mendez)等人首先提出了光纤传感器用于钢筋混凝土结构的检测，从此以后，美国、英国、德国、日本的大学、研究机构等投入了大量力量研究埋入式光纤传感器在机敏土建结构中的应用。Mendez、Wanser和Voss等利用多模光纤OTDR光时域反射技术(Optical Time Domain Reflectometer简称OTDR)检测裂缝和滑移；Ansari将光纤埋入钢筋混凝土结构中，进行实时的工作状态监测；黄尚廉(1992)、姜德生(1998)开展了光纤机敏土建结构的研究，并应用于岩土工程中；刘浩吾、杨朝辉等人基于裂缝传感的光学和力学原理，提出了新型转换机制—斜交光纤传感形式。其中尤以美国的韦尔蒙特大学(Vermont University)的研究成果最为突出，他们将各种光纤传感器分别埋入到民用建筑、高层建筑、人行天桥、州际公路桥、铁路桥及水电大坝中，以检测结构或建筑物内部的应力、应变、结构振动，结构损伤程度，裂缝的发生与发展等内部状态。
目前许多光纤传感器可用于应变、位移的检测，最大检测应变在1％(或104με)以内。为了适应变形的发展，基于微弯损耗的缠绕式、套管式和微弯器式微弯传感器先后出现。
(1)缠绕式微弯传感器
参照图1所示，采用多模光纤缠绕在一根钢丝绳索上，两端用特种胶粘固形成，当钢绳受轴向应力作用而被拉伸时，光纤1也一起跟着被拉紧，形成光纤微弯。将普通通信光纤1(芯径为62.5/125μm，被覆层直径0.25mm)螺旋地紧密缠绕在直径为0.9mm由7股细钢丝组成的钢丝绳上，然后用环氧树脂加以保护，形成直径5mm的杆状结构。
(2)套管式微弯传感器
结构如图2所示，光缆中有一根通信光纤1，用一根聚合纤维螺旋形缠绕在光纤1上，外部由包层套管固定。当光缆外部受压时，套管限制了聚合螺旋纤维的变形，变形施加在内部的光纤上，形成周期性变形。当增大外部扰动时，多模光纤就会有很高的损耗。
(3)微弯器传感器
图3为光纤微弯器传感器示意图，微弯结构由一对空间周期为Λ的齿形板组成，光纤1从齿形板中间穿过，在齿形板的作用下产生周期性的弯曲。当齿形板受外部扰动时，光纤的微弯程度随之变化，从而导致输出光强的改变。通过测试输出光强的变化间接的测量外部扰动的大小。
图4、图5所示，裸露光纤1直接埋入时，岩层变形与光纤损耗没有对应关系，不能监测出岩层变形。分析表明，光纤1没有随岩层变形而变形，而是破坏了岩层的整体性，嵌入岩层，难以产生有效微弯，光纤1在岩层垮落或自然过渡破坏中产生不了反射信号的典型台阶损耗波形，因此，存在着光纤机敏材料的制备与传感技术问题。
但目前在研究光纤机敏材料与结构方面，集中于探索光纤传感器埋入钢筋混凝土构件和结构中(如建筑物、桥梁、大坝)进行结构完整性无损评估、内部应力状态检测，共同特点是将光纤用于混凝土等强度高于光纤石英玻璃的结构中，允许的裂隙变形破坏小(小于6mm)。但是，目前存在着低强度、变形量大的大量岩土工程，如城市地铁工程、高层建筑基础、深基坑、巨厚松散层、厚黄土下开采等领域的围岩变形还没有一种有效的方法和装置用光纤对这类材料变形破坏进行检测的报道。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种根据光纤与模型材料的静力、动力相互作用，对低强度、大变形材料结构采用蛇形光纤传感器埋入与测试方法。
本发明的另一发明目的是提供一种蛇形光纤传感器。
实现发明目的的技术方案是这样解决的：
A、蛇形光纤传感器埋入方法
I、选取光纤规格，制作光纤传感器；
II、准备制作试件的各种材料，试件制作并在预计的叠层间按设计方案埋入光纤传感器；
III、在层合材料埋入蛇形光纤传感器，蛇形光纤传感器放在层合材料的叠层之间；在制作试件时用力均匀，保证蛇形光纤传感器的成活率；
IV、埋入模型蛇形光纤传感器长度视模型规格而定，模型外两侧各留0.5～1m的长度以备连接，光纤出模型的位置两端加装保护装置；
V、模型准备完毕后，采用熔接机连接光纤传感器和过渡光纤，并对OTDR进行参数设定。
B、测试方法
I、通过局部弯损的方法，确定光纤测试系统中光纤传感器的具体位置；
II、损耗初值测试，模型煤层开挖过程中，在每一次开挖后，测试光纤测试系统损耗变化曲线；
III、模型岩层的变形和破坏情况观测；
IV、光时域反射仪OTDR计算机程序处理测试结果。
上述光纤传感器可实现分布式监测，光纤布置在岩体结构中，不管结构何处的应力、变形和裂缝，都可以被监测到，亦可以对0～50cm裂缝宽度或变形量范围的变形或破坏进行监测。
C、蛇形光纤传感器
包括由套管和裸露光纤组成，其本发明的显著特点是裸露光纤的外径上套有套管，两端与保护装置连接，在裸露光纤的外径上串联连接两根或两根以上长度10～20mm或12～18mm范围的圆筒短节套管，由圆筒短节套管组成蛇形光纤传感器。上述保护装置是指由于光纤很细，在埋入和实验的过程中容易出现在刚出模型的位置发生意外断裂或误操作断裂，因此需要加一段套管保护这一位置地光纤，这一位置的套管，只起保护作用称为保护装置。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
(1)目前已有的光纤传感器主要用于混凝土等高强度材料的结构检测，该传感器可用于强度低于玻璃石英的岩体变形监测。
(2)该传感器可用于大变形量的岩体裂隙产生和发展的监测，实际应用中，基体材料与套管接触，形成粘接，而光纤在套管中呈“自由”状态，随岩层垮落变形而变形，可以测试大范围岩体破坏，岩层垮落形成损耗台阶。
(3)蛇形光纤传感器既可以进行微观变形监测，又可以用于宏观变形监测。由于套管安装的不平整，光纤可形成多个微弯点，材料的变形一旦对他们构成影响，这些微弯点就成为非常敏感的微弯传感器，反映出这些变化，因此光纤传感器可以捕捉到岩层的初始变形，甚至是材料的损伤，其精确度达到±0.01mm。而其宏观变形达到35～50mm，远高于对混凝土变形测试。
(4)实现了分布式光纤检测，光纤与测试仪器连接、使用方便，测试稳定，精确度高。
(5)岩层在垮落过程中具有明显的时序性，即依次发展，光纤损耗值与垮落具有相关性，可以分辨出变形的过程和垮落的过程。可用于煤矿岩层移动、煤柱稳定性的监测及测试基材变形的范围。
(6)与其它检测方法对比，光纤检测具有高的精确度。
                                 表2  检测精度比较

探测技术声波检测红外探测光纤检测GPS监测检测对象混凝土空洞岩体裂隙扩展混凝土裂隙岩体变形桥梁三维位移精度大于10cm可测0.05mm0.01mm20mm
附图说明
图1、图2为现有技术缠绕式微弯传感器结构示意图；
图3为现有技术微弯器传感器结构示意图；
图4为现有技术岩层垮落结构示意图；
图5为现有技术岩层自然过渡破坏结构示意图；
图6为蛇形光纤传感器结构示意图；
图7为蛇形光纤传感器微弯结构示意图；
图8为蛇形光纤传感器宏弯结构示意图；
图9为蛇形光纤传感器的埋入结构示意图；
图10为光纤弯曲示意图；
图11为光纤传感器布置及测试系统示意图；
图12为1.2m模型开采过程中光纤传感器损耗与推进距离的关系曲线示意图；
图13为岩梁变形的分布式光纤测试系统示意图；
图14 OTDR屏幕损耗显示示意图。
具体实施方式
附图为背景技术与本发明的实施例。
下面结合本发明的附图对发明内容作进一步说明：
本发明提供的是在实验室相似材料模型试验时采集的附图。
1、蛇形光纤传感器的埋入方法依次按下述步骤进行：
I、选取光纤规格，制作光纤传感器；
II、准备制作试件的各种材料，试件制作并在预计的叠层间按设计方案埋入光纤传感器；
III、在层合材料埋入蛇形光纤传感器，蛇形光纤传感器放在层合材料的叠层之间；在制作试件时用力均匀，保证蛇形光纤传感器的成活率；
IV、埋入模型蛇形光纤传感器长度视模型规格而定，模型外两侧各留0.5～1m的长度以备连接，光纤出模型的位置两端加装保护装置；
V、模型准备完毕后，采用熔接机连接光纤传感器和过渡光纤，并对OTDR进行参数设定。
2、蛇形光纤传感器的模型或现场岩土层对于岩土层的变形和破坏测试方法，依次按下述步骤进行：
I、通过局部弯损的方法，确定光纤测试系统中光纤传感器的具体位置；
II、损耗初值测试，模型煤层开挖过程中，在每一次开挖后，测试光纤测试系统损耗变化曲线；
III、模型岩层的变形和破坏情况观测；
IV、光时域反射仪OTDR计算机程序处理测试结果，光时域反射仪OTDR是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的仪器，测试的是光纤测试系统沿全程的损耗。当埋入模型的光纤发生变形时，该处光纤的损耗就较高。反过来，可根据光纤损耗结果来判断光纤埋设处的材料受力、损伤状况，同时可以确定出材料受力、损伤所在的位置。参数设定主要依据光纤测试系统的长度。OTDR测试的光纤测试系统损耗变化曲线实际上为一组曲线，每一个测试时刻有一条，每一条曲线都反映的是光纤测试系统的长度和对应位置的损耗值。每一个时刻测试曲线形成一个数据文件，存入计算机。计算机程序处理是根据光时域反射仪OTDR测试结果，用OTDR专用程序，在计算机上读取每一条测试曲线上不同位置的损耗值，如找出埋入模型的光纤传感器对应位置处的损耗值。其处理过程可以随时进行，试验数据具有保存和随时分析的特点。而每一个测试时刻又反映出的是模型实验过程中的岩层变形状况，因此，模型岩层的变形与损耗形成一定的对应关系。
参照图6所示，包括光纤1的外径上套有套管3，还包括光纤1的一端与保护装置2连接，在光纤1的外径上串联连接两根或两根以上短节套管3，其短节套管3的长度为10～20mm或12～18mm或14～16mm，直径为1.4～2.5mm或1.6～2.0mm。
图7、图8所示，其传感机理是微弯原理，当套管3自然埋设不平或者变形不一致时，套管3与套管3之间就形成光纤1的微弯，材料的进一步变形必然由于这些微弯点而通过光纤感知；当材料出现大变形时，基体材料与套管3接触形成牢固粘接，而光纤1在套管3中呈“自由”状态位移，套管3限制了光纤1的变形，光纤1在宏观变形弯曲中形成微弯点，随岩层垮落出现损耗台阶反射信号。光纤1在宏观弯曲中形成微弯的“交点”。根据光纤的传输原理，光纤的损耗是由于光纤局部的弯曲所致，反过来，要利用损耗进行监测，就必须使光纤1有高的损耗产生才行。然而，并不是有弯曲的地方光纤1就有损耗，必须是有效的微弯曲才能有损耗，用套管可以使光纤在变形中形成有损耗的微弯曲，微弯是套管3与套管3之间形成的，实际上是一段弯曲很厉害的光纤，由于它距离很短且很小，故称为微弯的“交点”
图9为蛇形光纤传感器的埋入结构示意图，光纤埋入法是在层合材料的埋入过程中，将光纤1放在层合材料的叠层之间。在模型岩层变形区域布置光纤传感器，模型埋入过程中将光纤1放在岩梁与煤柱、开采煤层之间，在岩梁中部放置百分表，拟观察岩梁的变形及下沉量，在材料的层压过程中使之与材料结合在一起，因光纤传感器埋入内部，可监测材料与结构内部状态的变化与损伤。光纤1在材料内的埋入方式较简单，采用手工或机械铺贴均可，在预计的叠层间按设计方案埋入光纤1，埋入模型光纤段长度视模型规格而定，模型外两侧各留0.5～1m的长度以备连接。光纤埋入岩石材料时没有温度的作用，其成活率主要受操作影响。
光纤1埋入是实现岩土工程光纤检测的第一步。光纤1在岩土工程中的埋设涉及到以下几个基本问题：
(1)光纤1如何无损伤地埋入岩土工程中；
(2)光纤的合理布置及在结构有效期内的长期稳定性、可靠性问题；
(3)光纤传感器光纤/套管/基体材料三者界面的微观力学问题。光纤1在模型实验过程中处于二种状态，一种是光纤1随岩层一起变形移动状态，另一种是岩层未变形破坏状态。选择二种状态下的光纤1采用飞利浦XL20型带电子探针(EDS)的电子扫描仪进行扫描放大，光纤处于模型岩层破坏状态下的扫描电镜放大图，放大350倍，光纤表面完好，仅有附着物，没有腐蚀的缺陷。模型从铺装到进行实验的间隔时间为1个月，由图可以看出，相似材料模型实验中碳酸钙(成份占10％)成份对光纤没有腐蚀。
图10为光纤弯曲示意图，根据光纤弯曲损耗的简易计算方法，对弯曲损耗有影响的是波长、弯曲半径、弯曲数目和弯曲角度四个变量。一定的实验条件和光纤传感器，波长λ和弯曲半径r为定值(r＝3.5mm)，只有弯曲数目N和弯曲角度θ_N随着光纤传感器的整体弯曲半径R的变化而变化，光纤传感器弯曲损耗计算式为T_total＝ζ₁Nexp(ζ₂θ_N)，根据实验结果，ζ₁＝0.0046，ζ₂＝0.0526。套管起到了以下的作用：
①增大光纤直径与材料的接触面积，减少了光纤对模型材料切割破坏的机会，使套管与材料界面的粘结牢固，有利于光纤的跟进变形；
②光纤在套管内受到了保护，减小了不必要的变形弯曲，光纤又可以沿套管滑移，以适应材料变形发展的需要，达到对大变形测试的目的；
③光纤在变形的过程中由于套管的约束而形成微弯。套管外表面选用低模量材料，内表面用与光纤一致的高模量材料。高模量材料指的是光纤的成份为氧化硅，其理论值为7.2×10⁴Mpa，泊松比为0.17，套管内表面用的高模量材料就是与上述弹性模量数值基本一致的材料
该传感器适用于岩土工程监测，尤其是强度低于玻璃石英的岩体变形监测中。
实施例1
1.2×0.12m平面应力模型实验
图11为1.2×0.12m平面应力模型实验架光纤传感器布置及测试系统。实验材料为普通河砂、石膏、大白粉和云母粉，通过配比设计实现各类岩层的模拟。模型铺装高度50cm，几何相似比100，容重比1.7，开采煤层厚度3.5cm。埋入光纤传感器三层，第3号光纤埋设在模型的泥岩中，该层位距煤层底板40.5cm；第2号光纤埋设在粉砂岩中，距煤层底板24cm；第1号光纤埋设在细砂岩中，距煤层底板7cm。测试系统光纤长度2.178km，光纤1接入OTDR光时域反射仪。
图12为1.2m模型开采过程中光纤传感器损耗与推进距离的关系曲线图，图中光纤传感器损耗值由OTDR测试的损耗曲线经计算机处理所得，横坐标为模型工作面的推进距离。工作面推进至40cm时岩层出现垮落，垮落高度8cm；工作面推进至50cm时岩层垮落至1号光纤(垮落高度10cm)；工作面推进至60cm时岩层垮落至2号光纤(垮落高度16cm)；工作面推进至75cm时岩层垮落高度23.5cm。在这里，用工作面推进距离反映了模型岩层的变形过程。在岩层垮落前，光纤损耗有一个局部增大的阶段，1号光纤损耗值增大15％，2号光纤损耗值增大13％；随后随工作面进一步推进又恢复到原值，或略有降低，但相对处于稳定状态。光纤传感器可以检测到岩层的初始变形(工作面推进到20cm)，而传统位移测试方法得出的岩层下沉量出现在工作面推进到40cm时。垮落时呈迅速增长，1号光纤损耗值增大1.5倍，2号光纤损耗值增大2.17倍。
分析表明，模型岩层的变形与光纤损耗形成一定的关系，即是正变关系，但变形与光纤损耗的具体关系表达很难给出。就上述结果以足够用于监测中。
上覆岩层的破坏可以典型为图13的形式，出现错距，光纤由于套管的作用出现扭结变形，形成反射信号的台阶损耗波形。
实施例2
2m模型岩梁实验
图13为2m模型实验情况。制作模型高度11.5cm，分层厚度1cm，煤层厚度3.5cm。岩梁中埋设光纤2层，第1号光纤埋设在距煤层底板5cm处，第2号光纤埋设在距煤柱、煤层底板8cm处。光纤1测试系统为串联连接，各光纤传感器通过一根光纤1串联在一起，光纤1的一端接入OTDR光时域反射仪，由于实验使用的时域计空间分辨力在分米级范围，为了准确定位，在光纤传感器间接入过渡光纤和尾纤。在岩梁中部安装有百分表。
从模型中部向两侧逐步采出岩梁下的煤层(共10次开挖)，使岩梁的跨度增大，最终达到垮落。用百分表测试岩梁中部的表面下沉量。
光时域反射仪屏幕显示光纤测试系统损耗曲线见图14，横坐标为距离，两虚线之间的距离为50m，根据曲线的位置可以看出光纤测试系统的长度；纵坐标为光纤损耗，两虚线之间的损耗为4dB。图中由上至下依次为模型第1开挖至第10次开挖过程中测试的系统光纤损耗变化曲线，即是说，每一次开挖时刻对应有一条测试损耗曲线。每一条曲线有都有两个台阶，两个台阶的位置分别在1.013km和1.081km处，这两个位置正好是光纤传感器的位置，由台阶的大小可以看出损耗变化的大小。随岩梁的跨度增大，损耗台阶逐渐增大。
前述表明，蛇形光纤传感器既实现了微观变形监测，又达到了宏观变形监测。利用该种蛇形光纤传感器测试方法可以进行大范围岩体初始变形和破坏的测试，由此有可能在以下方面得到应用。
(1)煤柱稳定性监测
在煤柱内钻孔埋设蛇形光纤传感器，用OTDR在地面监测煤柱的弹塑性变形、破坏过程，可以达到对煤柱稳定性的判断，有利于煤柱的稳定设计。
(2)断层、边坡稳定性安全监测
在岩层可能的滑移面钻孔安装蛇形光纤传感器，通过对滑移面错动的监测，判断断层的活化和边坡的稳定性。
(3)锚杆、锚索使用质量检测
在锚杆安装时将蛇形光纤传感器缠绕在锚杆上，监测锚杆与锚固岩层的脱离情况，达到对锚杆受力的分析。
(4)岩层破坏范围影响检测
沿岩层钻孔安装蛇形光纤传感器，通过检测深部岩层开始离层或出现位移的位置，达到对岩层破坏范围的确定。亦可用于确定岩层破坏影响角，为地表移动规律的研究服务。
(5)土基体不均匀沉降监测
土基体不均匀沉降是影响建筑物破坏的主要因素，沿建筑物基础安装蛇形光纤传感器，利用该蛇形传感器在不同弯曲半径时光纤的损耗变化，来判断基础的不均匀沉降，以及早期识别和发现。
综上所述蛇形光纤传感器埋入与测试方法除适应相拟模型外，还适应现场埋入蛇形光纤传感器与测试，还可实现分布式监测，光纤布置在混凝土结构中或岩层中或煤层或土层中，不管结构何处的应力、变形和裂缝，都可以被监测到。
现场埋入蛇形光纤传感器的方法与实验室一致：即根据被测岩层的性质，首先制作模拟岩层试件，将蛇形光纤传感器同实验室的方法装入其中；然后将制作的模拟岩层试件埋入预计测试位置。