專利名稱：一種采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種基于光纖光柵傳感技術的采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移 監(jiān)測系統(tǒng)，涉及測量應力、溫度的測量、類似線性尺寸的測量及管道系統(tǒng)技術領域。
背景技術：
地下礦層被開采后形成的空間稱為采空區(qū)。地下礦層被開采后，其上部巖層失去 支撐，平衡條件被破壞，隨之產生彎曲、塌落，以致發(fā)展到地表下沉變形，造成地表塌陷，形 成凹地。隨著采空區(qū)的不斷擴大，凹地不斷發(fā)展而形成采空塌陷區(qū)，進而對地上或地下建 (構)筑物產生危害。采空塌陷災害是造成人類生命財產損失的地質災害的主要形式之一。 長距離輸油或輸氣管道輸送距離可達數(shù)千公里，常不可避免地要穿過采空塌陷區(qū)。由于選 線的不充分或地下礦體的進一步開采等原因，在采空塌陷區(qū)的管道有可能在活動塌陷盆地 內通過，從而使管道的安全運營遭受嚴重威脅。早在1865年美國建成全球第一條原油管道起，世界即進入到了管道運營的時代， 而管道通過采空區(qū)問題則不斷出現(xiàn)。1975年英國國家煤炭理事會頒布的《塌陷工程手冊》 中規(guī)定了預測管道通過煤礦采空區(qū)地表塌陷的“NCB法”。1986年，國際管道科學研究院委 托Battelle研究院對穿越采空塌陷區(qū)的管道受力性狀和防治方法進行了研究，形成了《開 采塌陷區(qū)的管道監(jiān)測與防治》報告(NG-18，No. 155)，該項目系統(tǒng)總結了采空塌陷的特征，分 析了采空區(qū)對管道的危害，開發(fā)了相應的應力計算軟件，提出了塌陷區(qū)管道監(jiān)測方法。我國管道事業(yè)雖然起步較晚，但我國的管道工業(yè)正處在蓬勃發(fā)展之中，這些管道 大多將我國西部豐富的石油天然氣輸送到我國的東部，正在加緊建設和規(guī)劃的能源輸送管 道有西氣東輸、中緬管道、蘭鄭長管道等多條上千公里管道。這些管線經過許多礦物采空區(qū) 或未來開采區(qū)。如西氣東輸一線管線途徑山西、山東、陜西、寧夏4個省區(qū)的8個礦區(qū)，受76 個礦井開采形成的部分采空區(qū)的影響，總長度約887. 494km，采空區(qū)一旦形成，將破壞地表 平衡條件，導致地表大面積下沉、凹陷、裂縫或誘發(fā)滑坡、崩塌等次生災害，直接影響管道安 全；鄯烏天然氣管道沿途經過12處采空塌陷區(qū)，受影響總長度約12. 6km，對管道安全生產 構成重大威脅，其中以蘆草溝塌陷區(qū)最為嚴重；陜京輸氣管線途經山西煤礦區(qū)，蘭鄭長成品 油管線河南段、鐵大原油管線等也容易發(fā)生采空塌陷等災害。面對眾多的采空塌陷災害，我國的管道運營公司雖然采取了積極的工程防護措 施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防護工程也并非“一勞永逸”，設 計施工的不確定因素較多，再者防護治理的周期長以及治理時機不易掌握。而監(jiān)測則是一 種高效、低成本的防治措施。美國國際管道科學研究院(PRCI)將監(jiān)測管道作為防治采空塌 陷災害的主要方式，我國的西氣東輸、陜京線等管道投產后對采空區(qū)也進行有效的監(jiān)測。傳統(tǒng)的采空區(qū)土體變形采用經緯儀、水準儀、鋼尺、支距尺和全站儀或GPS等方 法，這些方法的實時性都較差，均是對地表已經塌陷這一既有現(xiàn)象進行結果監(jiān)測，難以滿足 采空區(qū)監(jiān)測超前預報、長期和實時在線的要求。傳統(tǒng)的管道應變監(jiān)測以電阻式應變計、振弦 式應變計為主，在耐腐蝕、抗干擾方面較差，穩(wěn)定性也難以滿足要求。近幾年興起的分布式光纖傳感技術(以BOTDR為代表)在管體監(jiān)測方面已有一定的應用。對于采空塌陷區(qū)油氣管道，管道與土體的相對位移是一個很重要的因素。隨著采 礦程度的加深，采空塌陷區(qū)土體的不斷下沉，由于管體和土體的剛度及抗變形能力不同，管 體與其下方土體的變形和下沉位移不再一致，管道下方土體將繼續(xù)下沉，最終與管道分離， 而管道上部土體由管體支撐，附著于管道之上，從而導致管道暗懸。大量的研究表明，當管 道暗懸時，管道受到荷載最大，管體處于非常不穩(wěn)定的受荷狀態(tài)，這種狀態(tài)嚴重影響到管道 的安全。因此監(jiān)測管道和土體之間的相對位移，實時了解管道與土體的對應位置關系，對于 準確判斷管道安全狀態(tài)，有著重要的意義。光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無源器件。它是利用光纖材料的光敏特性 在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區(qū)域的 傳播行為方式。除具有普通光纖抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕等特 點外，光纖光柵還具有其獨特的特性易于與光耦合、耦合損耗小、易于波分復用等。因而使 得光纖光柵在光纖通訊和光纖傳感等領域有著廣闊的前景。作為光子研究領域的一種新興 技術，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術近年來受到普遍關注，各國研究者積極開展 有關研究工作。目前，已報道的光纖光柵傳感器可以監(jiān)測的物理量有溫度、應變、壓力、位 移、壓強、扭角、扭矩(扭應力)、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動等， 其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經實際應用。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)是最簡單、最普遍的一種光纖光柵。它 是一段折射率呈周期性變化的光纖，其折射率調制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。溫度、應 變的變化會引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖布拉格光柵的反射譜 和透射譜發(fā)生變化。通過檢測光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應 的溫度和應變的信息，這就是用光纖布拉格光柵測量溫度和應變的基本原理。由耦合模理論可知，均勻的光纖布拉格光柵可以將其中傳輸?shù)囊粋€導模耦合到另 一個沿相反方向傳輸?shù)膶６纬烧瓗Х瓷洌逯捣瓷洳ㄩL(布拉格波長)入，為λΒ = 2neffA(1)式中λ B為布拉格波長；nrff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵柵距。對式(1)微分可得光柵的中心波長與溫度和應變的關系^ = ( /+ξ)ΔΓ + ( -Ρε)Δ￡(2)式中α,為光纖的熱膨脹系數(shù)J=I^為光纖材料的熱光系數(shù)；
Λ αΤη dT
Pe =-If為光纖材料的彈光系數(shù)。由式(2)可知，應變是由于光纖布拉格光柵周期的伸縮 η αε
和彈光效應引起布拉格波長的變化，而溫度是由于光纖布拉格光柵熱膨脹效應和熱光效應 引起布拉格波長的變化。光纖光柵可制成各種傳感器件，在傳感領域得到廣泛應用。與傳統(tǒng)的電傳感器 相比，光纖光柵傳感器具有自己獨特的優(yōu)點(1)傳感頭結構簡單、體積小、重量輕、外形可 變，適合埋入各種大型結構中，可測量結構內部的應力、應變及結構損傷等，穩(wěn)定性、重復性 好；(2)與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、光損耗低、光譜特性好、可靠性高； (3)具有非傳導性，對被測介質影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，適合在惡劣環(huán)境中工作；(4)輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個光柵，構成傳感陣列，與波分復用和時 分復用系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)分布式傳感；(5)測量信息以波長編碼，因而光纖光柵傳感器不受 光源的光強波動、光纖連接與耦合損耗、光波偏振態(tài)變化等因素的影響，具較強的抗干擾能 力；(6)高靈敏度、高分辯力。與廣泛使用的布里淵光時域反射計BOTDR相比，光纖光柵傳感器的優(yōu)點有(1)對 測量點能精確定位，分辨率高；(2)成本低；(3)能對傳感部分進行加工、封裝，使其更適合 現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。由于這些優(yōu)點，在巖土工程領域中，光纖光柵傳感器很容易埋入巖土體中對其內 部的應變和溫度進行高分辨率和大范圍測量，技術優(yōu)勢非常明顯，尤其體現(xiàn)在能獲得長期、 可靠的巖土體變形數(shù)據(jù)，目前還未見到光纖光柵傳感技術用于采空區(qū)管土相對位移監(jiān)測的 報道。

實用新型內容本實用新型的目的是設計一種空間分辨率高、成本低、安全有效的基于光纖光柵 實時在線的采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)。本實用新型提出的一種基于光纖光柵傳感技術的采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對 位移監(jiān)測系統(tǒng)，是對采空塌陷管道敷設帶管土相對位移的監(jiān)測，管土相對位移采用光纖光 柵傳感器實時在線監(jiān)測及預警。能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時自動采集、遠程傳輸和自動分析。采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)的總體構成如圖1所示。在采空塌陷 區(qū)1的油氣管道a2的監(jiān)測截面上安裝管土相對位移傳感器a3，然后通過光纖接線盒a4與 引至監(jiān)測站的光纜a5連接，在監(jiān)測站里，光纜a5與光開關6連接，光開關6與光纖光柵解 調儀7連接，光纖光柵解調儀7與下位機8連接，下位機8預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊 模塊a9傳輸，GPRS通訊模塊blO接收后傳到上位機11。采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)的具體體構成如圖5所示，該系統(tǒng)分 為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和遠程接收分析系統(tǒng)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括光纖光柵位移傳感器、光開關、光纖光柵解調儀、下位 機、GPRS通訊模塊，光纖光柵位移傳感器輸出接光開關的輸入，光開關的輸出接光纖光柵解 調儀的輸入，光纖光柵解調儀的輸出接下位機的輸入，下位機的輸出接GPRS通訊模塊。遠程接收分析系統(tǒng)包括GPRS通訊模塊、上位機、數(shù)據(jù)信號遠程實時接收、數(shù)據(jù)信 號分析與處理、變化曲線動態(tài)顯示；GPRS通訊模塊的輸出接上位機的輸入，上位機的輸出 分別接數(shù)據(jù)信號遠程實時接收、數(shù)據(jù)信號分析與處理、變化曲線動態(tài)顯示的輸入。管土相對位移傳感器a3將管土相對位移信號經光纜a5傳到光開關6，后經光纖光 柵解調儀7解調傳至下位機8，下位機8調用自編的程序，控制光開關6和光纖光柵解調儀 7,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對數(shù)據(jù)進行預處理；預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a9傳輸、GPRS 通訊模塊bio接收傳到上位機11，上位機11對數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理，判斷管土相對 位移，進而判斷采空區(qū)土體的塌陷情況。如圖3所示，管土相對位移傳感器bl6安裝在油氣管道bl7的正下方，監(jiān)測截面位 置和數(shù)量的選擇根據(jù)采空塌陷區(qū)1的實際情況而定；在管道bl7底部安裝光纖光柵位移傳 感器bl6，光纖光柵位移傳感器bl6與管道bl7通過卡件連接，光纖光柵位移傳感器bl6可以與應變傳感器串聯(lián)，也可單獨通過光纖跳線18引至光纖接線盒bl9，通過光纖接線盒bl9 與光纜連接；其中光纖光柵位移傳感器a3的結構如圖2所示，隨管體埋入土中的光纖光柵 位移傳感器a3由安裝塊12、光纖光柵13、測力桿14、承重盤15組成；安裝塊12由測力桿 14與承重盤15連接成“工”字形，光纖光柵13固定在測力桿14上；承重盤15用于承受下 塌土體重力，光纖光柵13測量測力桿14發(fā)生的應變，通過對應關系轉化為位移；安裝塊12 便于傳感器穩(wěn)固的安裝于管道上；其中測力桿14與承重盤15、測力桿14與安裝塊12螺紋 連接，安裝塊12與管道通過卡件連接。該系統(tǒng)的電原理如圖6所示，光纖光柵位移傳感器a3的PC接頭用光纜a5與光開 關6的PC接頭連接，光開關6的R232連接下位機8的R232接口，光開關6的PC接頭連接 光纖光柵解調儀7SM125的PC接口，光纖光柵解調儀7SM125的LAN端口連接下位機8的 LAN端口，下位機8的輸出由VGA端接顯示器的VGA端，下位機8的R232端口接GPRS傳輸 模塊a9西門子MC35i的R232端口，GPRS傳輸模塊a9經天線GSM、GPRS網(wǎng)絡，被GPRS接收 模塊bl2天線GSM接收后由R232接到上位機11的R232，上位機11的輸出由VGA端接顯示 器的VGA端。管土相對位移光纖光柵傳感器的輸出信號經光開關6傳輸至光纖光柵解調儀7， 光纖光柵解調儀7解調出光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機8，光開關6導通 信號的周期由下位機8控制。下位機8對數(shù)據(jù)進行預處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給GPRS 傳輸模塊a9，GPRS傳輸模塊a9將下位機8計算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡傳輸?shù)?位于辦公室的上位機11，上位機通過自編軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，由顯示器顯示。管土相對位移監(jiān)測裝置的測量機理如圖4所示，可以通過應變ε ρ 了解管土相對 位移的情況；當測量應變ε ρ達到閾值并保持恒定時，及表明管體已經處于懸空狀態(tài)；管土相對位移光纖光柵傳感器的輸出信號經光開關導通傳輸至光纖光柵解調儀 7，光纖光柵解調儀7解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機8，光開關6 導通信號的周期由下位機8控制。下位機8對數(shù)據(jù)進行預處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給 GPRS傳輸模塊a9，GPRS傳輸模塊a9將下位機8計算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡傳 輸?shù)轿挥谵k公室的上位機11，上位機通過自編軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，由顯示器顯示?，F(xiàn)場監(jiān)測站設置在采空塌陷區(qū)附近的閥室，包括如下幾部分(1)監(jiān)測站與各傳感器的光纖接線盒和連接光纜，用于將采空塌陷區(qū)上各個位置 的傳感器信號集中傳輸?shù)奖O(jiān)測站；(2)光開關6，由于監(jiān)測采空塌陷和管道的傳感器很多，信號通道眾多，無法一次 連接到光纖光柵解調儀7上，用光開關6將各通道信號依次轉換給光纖光柵解調儀7分析；(3)光纖光柵解調儀7，用于解調出各傳感器的中心波長位移量；(4)計算機及程序，用于控制解調儀解調的頻率，并將解調儀解調出的中心波長位 移量自動計算為各監(jiān)測量，將這些監(jiān)測量發(fā)送給GPRS通訊模塊，并接收GPRS通訊模塊的信 號進行控制；(5)GPRS通訊模塊，用于將計算機計算的各監(jiān)測量通過無線通信網(wǎng)絡傳輸?shù)轿挥?辦公室的服務器，也可接受接服務器的信號，發(fā)送給計算機。該系統(tǒng)的工作原理(見圖5)為當采空塌陷區(qū)1變形時，隨著采空塌陷的不斷進 行，管道和其下方土體之間的位移也發(fā)生變化，通過光纖光柵位移傳感器a3測量。通過連接光纜a5，將采空塌陷區(qū)各個位置的傳感器信號集中傳輸?shù)焦忾_關6，光開關6將各通道 信號依次轉換給光纖光柵解調儀7，光纖光柵解調儀7解調出各傳感器波長中心波長位移 量并傳感給下位機8，下位機8將解調儀解調出的中心波長位移量自動計算為各監(jiān)測量，并 將監(jiān)測量發(fā)送給現(xiàn)場GPRS通訊模塊a9，GPRS通訊模塊a9通過無線通信網(wǎng)絡傳輸信號，用 GPRS通訊模塊blO傳送上位機11，上位機11將各監(jiān)測量與報警閾值對比，必要的時候給出 報警。本系統(tǒng)的優(yōu)點(1)揭示了管道敷設帶(管廊帶)采空塌陷區(qū)復雜土體的塌陷特征及管體與塌陷
土體相互作用的特征；用管土相對位移監(jiān)測指標進行采空塌陷區(qū)影響下油氣管道的安全預 m.
θ ，(2)將光纖光柵傳感技術應用于采空塌陷區(qū)監(jiān)測，該技術抗干擾、耐腐蝕、易于組 網(wǎng)等優(yōu)勢明顯；該技術易于實現(xiàn)遠程自動實時在線監(jiān)測，且成本較低； (3)管土相對位移監(jiān)測，根據(jù)管道所在采空塌陷區(qū)的特征，在每個管體監(jiān)測截面的 正下方安裝1個光纖光柵位移傳感器，用于監(jiān)測管體及其下伏土體的相對位移情況，通過 監(jiān)測值的變化來判定管土相對位移及管體是否已經懸空以及懸空的位置，避免了通過開挖 管溝來判明管體是否懸空，為采空塌陷區(qū)油氣管道開展防護工程時機的選擇提供了有效依 據(jù)，減少了防護工程的盲目性并節(jié)約了管道運行成本、同時也確保了管道的運行安全，減少 了開挖驗證時的施工危險；(4)本系統(tǒng)具有自動、連續(xù)、及時的特點，能夠準確及時掌握采空塌陷區(qū)土體的穩(wěn) 定狀態(tài)、管體安全狀態(tài)及是否暗懸狀態(tài)，能對采空塌陷區(qū)的治理加固和管道安全防護時機 的科學決策提供有力依據(jù)。


圖1采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)構成圖
圖2位移傳感器構成圖
圖3管土相對位移傳感裝置圖
圖4管土相對位移監(jiān)測裝置的測量機理圖
圖5采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)原理圖
圖6采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)電原理圖
其中1-采空塌陷
3-管土相對位移傳感器 5-光纜a
光纖光柵解調儀 9-GPRS通訊模塊a 11-上位機 13-光纖光柵 15-承重盤 17-管道b 19-光纖接線盒b
2-管道a 4-光纖接線盒a 6_光開關 8-下位機 10-GPRS通訊模塊b 12-安裝塊 14-測力桿
16-管土相對位移傳感器b 18-光纖跳線
8具體實施方式
實施例.本例是一實驗方法和系統(tǒng)，其構成如圖1-圖6所示。在一采深采厚比 為10、開采長度15m、管道埋深3m、管道長度為130m的采空塌陷區(qū)上作試驗，管體直徑為 168mm、壁厚為6mm、鋼級L245。采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)的總體構成如圖1所示。在采空塌陷 區(qū)1的油氣管道a2的監(jiān)測截面上安裝管土相對位移傳感器a3，然后通過光纖接線盒a4與 引至監(jiān)測站的光纜a5連接，在監(jiān)測站里，光纜a5與光開關6連接，光開關6與光纖光柵解 調儀7連接，光纖光柵解調儀7與下位機8連接，下位機8預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊 模塊a9傳輸，GPRS通訊模塊blO接收后傳到上位機11。采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)的具體體構成如圖5所示，該系統(tǒng)分 為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和遠程接收分析系統(tǒng)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括光纖光柵位移傳感器、光開關、光纖光柵解調儀、下位 機、GPRS通訊模塊，光纖光柵位移傳感器輸出接光開關的輸入，光開關的輸出接光纖光柵解 調儀的輸入，光纖光柵解調儀的輸出接下位機的輸入，下位機的輸出接GPRS通訊模塊。遠程接收分析系統(tǒng)包括GPRS通訊模塊、上位機、數(shù)據(jù)信號遠程實時接收、數(shù)據(jù)信 號分析與處理、變化曲線動態(tài)顯示；GPRS通訊模塊的輸出接上位機的輸入，上位機的輸出 分別接數(shù)據(jù)信號遠程實時接收、數(shù)據(jù)信號分析與處理、變化曲線動態(tài)顯示的輸入。管土相對位移傳感器a3將管土相對位移信號經光纜a5傳到光開關6，光開關6后 經光纖光柵解調儀7解調傳至下位機8，下位機8調用自編的程序，控制光開關6和光纖光 柵解調儀7，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對數(shù)據(jù)進行預處理；預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a9 傳輸、GPRS通訊模塊blO接收傳到上位機11，上位機11對數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理，判 斷管土相對位移，進而判斷采空區(qū)土體的塌陷情況。如圖3所示，管土相對位移傳感器a3安裝在油氣管道a2的正下方，監(jiān)測截面位置 和數(shù)量的選擇根據(jù)采空塌陷區(qū)1的實際情況而定；在管道cl7底部安裝光纖光柵位移傳感 器bl6，光纖光柵位移傳感器bl6與管道cl7通過卡件連接，光纖光柵位移傳感器bl6可以 與應變傳感器串聯(lián)，也可單獨通過光纖跳線18引至光纖接線盒bl9，通過光纖接線盒bl9與 光纜連接；其中光纖光柵位移傳感器a3的結構如圖4所示，隨管體埋入土中的光纖光柵位 移傳感器a3由安裝塊12、光纖光柵13、測力桿14、承重盤15組成；安裝塊12由測力桿14 與承重盤15連接成“工”字形，光纖光柵13固定在測力桿14上；承重盤15用于承受下塌 土體重力，光纖光柵13測量測力桿14發(fā)生的應變，通過對應關系轉化為位移；安裝塊12便 于傳感器穩(wěn)固的安裝于管道上；其中測力桿14與承重盤15、測力桿14與安裝塊12螺紋連 接，安裝塊12與管道通過卡件連接。該系統(tǒng)的電原理如圖6所示，光纖光柵位移傳感器a3的PC接頭用光纜a5與光開 關6的PC接頭連接，光開關6的R232連接下位機8的R232接口，光開關6的PC接頭連接 光纖光柵解調儀7SM125的PC接口，光纖光柵解調儀7SM125的LAN端口連接下位機8的 LAN端口，下位機8的輸出由VGA端接顯示器的VGA端，下位機8的R232端口接GPRS傳輸 模塊a9西門子MC35i的R232端口，GPRS傳輸模塊a9經天線GSM、GPRS網(wǎng)絡，被GPRS接收 模塊bl2天線GSM接收后由R232接到上位機11的R232，上位機11的輸出由VGA端接顯示器的VGA端。管土相對位移光纖光柵傳感器的輸出信號經光開關6傳輸至光纖光柵解調儀7， 光纖光柵解調儀7解調出光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機8，光開關6導通 信號的周期由下位機8控制。下位機8對數(shù)據(jù)進行預處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給GPRS 傳輸模塊a9，GPRS傳輸模塊a9將下位機8計算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡傳輸?shù)?位于辦公室的上位機11，上位機通過自編軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，由顯示器顯示。管土相對位移監(jiān)測裝置的測量機理如圖4所示，可以通過應變ε ρ 了解管土相對 位移的情況；當測量應變ε ρ達到閾值并保持恒定時，表明管體已經處于懸空狀態(tài)；管土相對位移光纖光柵傳感器的輸出信號經光開關逐一導通傳輸至光纖光柵解 調儀7，光纖光柵解調儀7解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機8，光 開關6導通信號的周期由下位機8控制。下位機8對數(shù)據(jù)進行預處理，并將處理后的數(shù)據(jù) 傳輸給GPRS傳輸模塊a9，GPRS傳輸模塊a9將下位機8計算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信 網(wǎng)絡傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機11，上位機通過自編軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，由顯示器 顯不。現(xiàn)場監(jiān)測站設置在采空塌陷區(qū)附近的閥室，包括如下幾部分(1)監(jiān)測站與各傳感器的光纖接線盒和連接光纜，用于將采空塌陷區(qū)上各個位置 的傳感器信號集中傳輸?shù)奖O(jiān)測站；(2)光開關6，由于監(jiān)測采空塌陷和管道的傳感器很多，信號通道眾多，無法一次 連接到光纖光柵解調儀7上，用光開關6將各通道信號依次轉換給光纖光柵解調儀7分析；(3)光纖光柵解調儀7，用于解調出各傳感器的中心波長位移量；(4)計算機及程序，用于控制解調儀解調的頻率，并將解調儀解調出的中心波長位 移量自動計算為各監(jiān)測量，將這些監(jiān)測量發(fā)送給GPRS通訊模塊，并接收GPRS通訊模塊的信 號進行控制；(5)GPRS通訊模塊，用于將計算機計算的各監(jiān)測量通過無線通信網(wǎng)絡傳輸?shù)轿挥?辦公室的服務器，也可接受接服務器的信號，發(fā)送給計算機。其中光纖光柵位移傳感器選用自行設計封裝的光纖光柵傳感器；光開關6 選用光隆科技SUM-FSW ；光纖光柵解調儀7 選用SM125 ；上位機11及程序選用研華IPC-610，程序自編；下位機8及程序選用研華IPC-610，程序自編；GPRS傳輸模塊a9 西門子MC35i ；GPRS接收模塊blO 選用西門子MC35i。用上述方法構建的系統(tǒng)在進行監(jiān)測時，采空塌陷區(qū)1與油氣管道a2之間的相對位 移由管土相對位移傳感器a3監(jiān)測；采集到的信號經光開關6、光纖光柵解調儀7解調后由下位機8作預處理；下位機8預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a9傳輸、GPRS通訊模塊blO接收到 上位機11 ；上位機11判斷數(shù)據(jù)是否完整，不完整時再返回下位機8預處理；完整則傳到上 位機11 ；[0087]上位機11對信號作進一步分析與處理；由上位機11輸出采空塌陷區(qū)管土相對位移變化動態(tài)顯示；并判斷數(shù)據(jù)是否超出 閾值；當管土相對位移值小于閾值時則表明管道處于安全狀態(tài)；當管土相對位移值達到閾值并保持恒定時進行管道安全預警。若采空塌陷區(qū)1的土體下塌，埋于土體下方的管道a2受到上方土體荷載的作用 而發(fā)生彎曲應變，由于管道a2下方土體不斷塌陷，埋于采空塌陷區(qū)1的管土相對位移傳感 器a3在承受土壓力的過程中產生拉伸應變，管土相對位移傳感器a3上的光纖光柵13感受 到拉應變，通過計算可得出管土相對位移以及應變，即判定管道a2是否懸空以及懸空的位 置。經長時間的監(jiān)測，本例易于構建監(jiān)測系統(tǒng)，易于實現(xiàn)采空塌陷區(qū)1和管道a2監(jiān)測 數(shù)據(jù)的實時自動采集分析及遠程發(fā)布，遠程實時自動報警。避免了繁瑣的人工采集數(shù)據(jù)，提 高了預警的精度，減少了報警時間，同時還能對報警地點進行準確定位，這對管道應急措施 的采取至關重要。
權利要求1.一種采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于在采空塌陷區(qū)(1)的 油氣管道a (2)的監(jiān)測截面上安裝管土相對位移傳感器a (3)，然后通過光纖接線盒a (4)與 引至監(jiān)測站的光纜a 連接，在監(jiān)測站里，光纜a 與光開關(6)連接，光開關(6)與光 纖光柵解調儀(7)連接，光纖光柵解調儀(7)與下位機(8)連接，下位機(8)接GPRS通訊 模塊a (9)，GPRS通訊模塊b (10)接上位機(11)；管土相對位移的光纖光柵傳感器輸出信號經光開關導通傳輸至光纖光柵解調儀(7)， 光纖光柵解調儀(7)解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機(8)；下位 機(8)將數(shù)據(jù)輸給GPRS通訊模塊a (9)，GPRS通訊模塊b (10)通過公眾無線通信網(wǎng)絡傳輸 到位于辦公室的上位機(11)。
2.根據(jù)權利要求1所述的采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于該 系統(tǒng)分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和遠程接收分析系統(tǒng)；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括光纖光柵位移傳感器、光開關、光纖光柵解調儀、下位機、 GPRS模塊，光纖光柵位移傳感器輸出分別接光開關的輸入，光開關的輸出接光纖光柵解調 儀的輸入，光纖光柵解調儀的輸出接下位機的輸入，下位機的輸出接GPRS模塊；遠程接收分析系統(tǒng)包括GPRS模塊、上位機、數(shù)據(jù)信號遠程實時接收、數(shù)據(jù)信號分析與 處理、變化曲線動態(tài)顯示；GPRS模塊的輸出接上位機的輸入，上位機的輸出分別接數(shù)據(jù)信 號遠程實時接收、數(shù)據(jù)信號分析與處理、變化曲線動態(tài)顯示的輸入；管土相對位移傳感器aC3)將管體應變和管土相對位移信號經光纜a 傳到光開關 (6)，光開關(6)后經光纖光柵解調儀(7)解調傳至下位機(8)，下位機(8)控制光開關 (6)和光纖光柵解調儀(7)；預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a(9)傳輸、GPRS通訊模塊 b(10)接收傳到上位機(11)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在 于該系統(tǒng)的電原理是光纖光柵位移傳感器a(3)的PC接頭用光纜a(5)與光開關(6)的 PC接頭連接，光開關(6)的R232連接下位機(8)的R232接口，光開關(6)的PC接頭連接 光纖光柵解調儀(7)SM125的PC接口，光纖光柵解調儀(7)SM125的LAN端口連接下位機 ⑶的LAN端口，下位機⑶的輸出由VGA端接顯示器的VGA端，下位機⑶的R232端口接 GPRS通訊模塊a (9)西門子MC!35i的R232端口，GPRS通訊模塊a (9)連天線GSM、GPRS網(wǎng) 絡，GPRS通訊模塊b (10)由R232接到上位機(11)的R232，上位機(11)的輸出由VGA端接 顯示器的VGA端；管土相對位移的光纖光柵傳感器的輸出信號經光開關(6)導通傳輸至光纖光柵解調 儀(7)，光纖光柵解調儀(7)解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機 (8)，光開關(6)導通信號的周期由下位機(8)控制；下位機(8)對數(shù)據(jù)進行預處理，并將處 理后的數(shù)據(jù)輸給GPRS通訊模塊a (9)，GPRS通訊模塊a (9)通過公眾無線通信網(wǎng)絡傳輸?shù)轿?于辦公室的上位機(11)。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在 于所述光纖光柵位移傳感器aC3)的構成是在管道b(17)底部安裝光纖光柵位移傳感器 a(3)，光纖光柵位移傳感器aC3)與管道b(17)通過卡件連接，光纖光柵位移傳感器a(3) 或與應變傳感器串聯(lián)，或單獨通過光纖跳線(18)引致光纖接線盒b (19)，通過光纖接線盒 b(19)與光纜連接；所述光纖光柵位移傳感器aC3)由安裝塊(12)、光纖光柵(13)、測力桿(14)、承重盤 (15)組成；安裝塊(12)由測力桿(14)與承重盤(15)連接成“工”字形，光纖光柵(13)固 定在測力桿(14)上；其中測力桿(14)與承重盤(15)、測力桿(14)與安裝塊(14)螺紋連 接，安裝塊(1 與管道通過卡件連接。
專利摘要本實用新型是一種基于光纖光柵傳感技術的采空塌陷區(qū)油氣管道管土相對位移監(jiān)測系統(tǒng)。在采空塌陷區(qū)(1)的油氣管道a(2)的監(jiān)測截面上安裝管土相對位移傳感器a(3)，然后通過光纖接線盒a(4)與引至監(jiān)測站的光纜a(5)連接，在監(jiān)測站里，光纜a(5)與光開關(6)連接，光開關(6)與光纖光柵解調儀(7)連接，解調儀(7)與下位機(8)連接，下位機(8)預處理后的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊a(9)傳輸，無線通訊模塊b(10)接收后傳到上位機(11)。本實用新型空間分辨率高、成本低、安全有效。
文檔編號E21F17/18GK201884069SQ20102028077
公開日2011年6月29日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權日2010年7月28日
發(fā)明者吳張中, 孫異, 李俊, 楊喜良, 荊宏遠, 蔡永軍, 邱紅輝, 韓冰, 馬云賓 申請人:中國石油天然氣股份有限公司