光纤光栅岩土内部二维变形监测技术研究

摘 要：为了解决光纤光纤传感技术在监测岩土内部二维变形中的应用问题，通过实验研究、理论分析计算，设计了光纤光栅角度传感器，建立了铰接光纤光栅角度传感器岩土内部二维变形结构模型，给出了铰接点坐标公式；并通过工程实例及对比分析，对铰接光纤光栅角度传感器在12 m试验路基段内部变形中的监测进行了可行性研究；研究结果表明：光纤光栅角度传感器在0°～5°范围内，角度和波长偏移量呈线性变化，对应单个传感器最大变形量100 mm/m、解析度0.0045 mm/m、精确度0.007 mm/m；铰接光纤光栅角度传感器监测效果良好，误差小，可在岩土二维变形监测方面进一步推广应用。

关键词：光纤光栅 角度传感器 岩土工程 二维变形

中图分类号：TP73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（c）-0087-03

Study of Two-dimension Deformation in Geotechnical Engineering by Using Fiber Grating

Zhou Hu

（Shenmu Huisen Liangshuijing Mining Co.，Ltd，Yulin shanxi，719319，China）

Abstract：In order to solve the problem of two-dimension deformation in geotechnical engineering by using fiber grating sensing technology，through the experimental study and theoretical analysis，we design the fiber grating angle sensors，and build a geotechnical internal deformation structure model for hinged sensors，and give the hinged point coordinates formula，through engineering examples and comparison analysis，we conducted the feasibility； The results show that the angle and wavelength offset appear to be a linear relationship between 0 angle and 5 angle，corresponding to a single sensor with maximum deformation of 100 mm/m，resolution of 0.0045 mm/m，accuracy of 0.007 mm/m.the monitoring results of the sensors are good，the errors are small，we conclude that the fiber grating angle sensors will have a good prospect in geotechnical internal deformation monitoring in future.

Key Words：The fiber grating；Angle sensors；Geotechnical engineering；Two-dimension deformation

近些年，随着光纤光栅传感及其相关技术的日趋成熟，光纤光栅传感器的实用化开发已成为传感领域的研究热点和关键。但光纤光栅传感在岩土内部变形监测方面的应用还相对较少，同时由于岩土内部情况变化的复杂性，人们也曾尝试多种检测手段进行研究[1-2]，如X射线法、声发射等，但效果均不是很理想，X射线法对人体危害较大、操作不便且成本高；声发射在信号很微弱的情况下，很难准确得到缺陷信号，且噪声和干扰信号影响较大；而目前光纤光栅传感也以其灵敏度高、操作性好、抗电磁干扰等诸多优点被用于越来越多的场合，光纤光栅传感技术的引入为岩土内部的变形监测开辟了新的思路和途径[3-4]。

1 光纤光栅岩土内部变形监测技术

1.1 监测机理

光纤光栅传感器为多用途感测器，可测两点或多点间的侧向偏移或相对转角。传感器采用多点串接式设计，可依工程监测需求，串接二至数十个光纤角度传感器，提供待测体的整体变形曲线，其内部线路无光纤外露，不但美观可靠亦增加施工的便利性。光纤光栅传感器通过特殊管件连接及夹具，可布放于待测体表面，也可直接埋入岩土内部，若搭配人机界面软体，还可实现系统的远端在线监控，并提供即时的待测体及岩土内部变形状况。

1.2 角度传感器的设计及标定

整个光纤光栅角度传感器的设计是一个比较复杂的过程，包括裸纤的熔接、在玻纤棒上沿轴心线方向刻偏心浅直槽、关节件的设计、裸纤与玻纤棒的复合粘接、穿管定位、加钢套环、安装小底座及整个管件的防水处理。单个光纤角度传感器的主要设计指标：测量范围±100 mm，解析度0.0045 mm/m、精确度0.007 mm/m。

光纤光栅角度传感器的标定也是非常关键的一部分，在0°～5°的范围内，进行角度和波长偏移量的反复性标定试验，由于小角度的等分标定比较困难，实验过程中通过垂直位移量（沉降量）的等分标定来实现一个等价转换，如表1所示。

对样品标定数据进行线性拟合，受拉/压状态标定下，线性度R2=0.9993，说明抽样传感器标定离散点数据的线性拟合情况良好。抽样传感器受拉/压状态下，角度（x）与波长偏移量（y）的标定线性关系式为：

y=0.2692x

由于光纤光栅同时对温度和基底的角度变化敏感，设计过程中通过不受力温度补偿方法剔除温度变化对角度测量的影响，试验结果表明：1℃温度变化对应引起10 pm的测量误差。因此，当温度变化较大时，用光纤光栅做角度变化传感须考虑温度的影响，否则，会因为温度的变化而影响角度测量的精度。

1.3 基于角度变换的坐标算法

角度传感器的设计完成只能说完成了光纤岩土二维变形监测的第一步，在光纤光栅角度传感器设计的基础上，建立了基于角度变换的传感点的坐标算法，进而为实现岩土内部长距离变形监测提供理论支撑。

具体算法的建立如下：设单个角度传感玻纤棒的长度为L（单位：mm），相邻传感棒间的铰接件长度为L1（单位：mm），二维沉降过程中单个角度传感棒的下沉角设为θi（i=1，2，…，n），第一根角度传感玻纤棒的前端点O设为参考点，在O处建立参考坐标系XOY（其中：X轴为第一根玻纤棒初始位置对应所在直线，Y⊥X），后续传感棒间的铰接点依次设为O1、O2、O3…Oi，并在铰接点处建立平面运动坐标系X1 O1Y1、X2 O2Y2、X3 O3Y3…Xi OiYi （其中：Xi轴为相邻上一段玻纤棒下沉θi-1后对应所在直线，Yi⊥Xi）

另外，该算法的建立过程中对单段角度传感玻纤棒进行了一个近似等价处理，即认为0°～5°的小角度范围内，长度为600～1 000 mm，直径为6 mm的角度传感玻纤棒在二维平面内的弯曲变形很小，可等价处理为类直线段。

以单段长度为1 000 mm的传感棒为例：在平面内弯曲旋转达到5°时，棒末端点的实际坐标为（994 mm，99.5 mm），等价为类直线后棒末端点的坐标为（995 mm，99.6 mm）。

坐标X的误差率：δx=ΔX/X实=1/994=0.1%

坐标Y的误差率：δy=ΔY/Y实=0.1/99.5=0.1%

铰接角度传感玻纤棒在二维平面内发生小变形的结构示意图如图1所示。

依据已知假设条件及理论结构模型示意图对铰接点O1，O2，…，Oi的位置坐标进行递推计算得到相对于参考点O及参考坐标系XOY的二维平面坐标计算公式。

铰接点的二维平面坐标计算公式如下：

θi-θ

其中θi是有正负的，规定光纤受拉时，θi为正值，光纤受压时，θi为负值。

2 工程应用

为了进一步验证该监测技术的效果和实用性，我们在试验路基底基层，选择了两个长12 m半截面，进行刻槽铺设，铺设完成后，对铺设传感的灵敏度和整体变化趋势进行了相关测试，并进行了相关数据的采集记录。

在碾压变形过程中，Δλ的最小变化量0.002，说明波长能感受非常微小的变化，传感器感知变形非常灵敏；3个温度传感点在温度基本保持稳定的情况下，波长碾压前后基本不发生变化，这也说明我们设计的温度传感不受力封装良好；碾压变形后其各传感点相对于初始位置坐标变化情况如图2所示。

由图2可以看出，在铺设的光纤光栅角度传感玻纤棒其整体感知变形趋势准确，感知传感点最大变形26.7 mm，与传感点位置实测的最大变形28 mm也基本吻合，实际感知最大变形误差1.3 mm，由此也说明设计的光纤光栅角度传感效果良好，在岩土二维变形监测方面可进一步推广应用。

3 结语

（1）光纤与玻纤棒基材复合而成的光纤光栅角度传感器在0°～5°范围内，进行二维变形标定测试，角度和波长偏移量均呈现良好的线性关系，线性相关度都在0.99以上。

（2）采用不受力温度补偿法，消除了温度对波长漂移量的影响，为光纤光栅角度传感器的准确测量提供了保证。

（3）基于角度变换的铰接传感器二维变形结构模型的建立，为铰接点坐标位置的确定，进而实现岩土内部长距离二维变形监测提供了理论支撑。

（4）在试验路基段铺设的光纤光栅角度传感器灵敏度良好，整体感知受压变化趋势准确，表明设计的传感器效果良好，在岩土二维变形监测方面可进一步推广应用。

参考文献

[1]孙圣和，王廷云，徐颖.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.

[2]张伟刚.光纤光学原理及应用[M].天津：南开大学出版社，2008.

[3]隋海波，施斌.地质和岩土工程光纤传感监测技术综述[J].工程地质学报，2008，16（1）：135-143.

[4]陈继宣，龚华平，张在宣.光纤传感器的工程应用及发展趋势[J].光通讯技术，2009（10）：38-40.

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