專利名稱：分布式光纖形變探測管及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種探測裝置及其檢測方法，尤其是一種由主筒體的兩端經(jīng)階梯接頭分別與 兩副筒體的一端口連接成管腔體且管腔體內(nèi)布設(shè)光纖單元通道及預(yù)留光纖巻，并經(jīng)過管腔體 自由端與介質(zhì)形變對堤壩、地基等受力變形進(jìn)行檢測的分布式光纖形變探測管及其檢測方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有用于防洪的土石壩和用于河道整治的丁壩,其缺陷是堤壩本身的結(jié)構(gòu)松散，洪水來臨 時(shí)極易被淘刷而發(fā)生坍塌，對附近居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅。因此，實(shí)時(shí)對堤壩 的形變進(jìn)行監(jiān)測，對及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，有效指導(dǎo)抗洪救災(zāi)具有重要意義，同時(shí)，堤壩的長期監(jiān) 測也為堤壩安全監(jiān)控和專家維護(hù)系統(tǒng)提供重要信息。堤防形變是堤防發(fā)生坍塌的先期反映。 目前，人們對堤防形變先期征兆的探索與研究也在不斷深入之中，但多為點(diǎn)式監(jiān)測研究。在利 用滲壓計(jì)、土壓計(jì)等點(diǎn)式傳感器采集信息時(shí)，由于各個(gè)傳感器點(diǎn)之間的距離以百米和千米計(jì)， 因此會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)及重大險(xiǎn)情漏測現(xiàn)象，影響監(jiān)測預(yù)警的可靠性。分布式光纖傳感監(jiān)測系 統(tǒng)是近年來許多國家競相研發(fā)的先進(jìn)技術(shù)之一，它具有抗電磁干擾、防燃、防爆、抗腐蝕、 具有大功率信號傳輸帶寬、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和分布廣的諸多優(yōu)點(diǎn)，從而彌補(bǔ)了堤防點(diǎn)式監(jiān)測盲區(qū)
的數(shù)據(jù)空缺，提高了堤防形變監(jiān)測的精度。
目前，應(yīng)用光纖測量技術(shù)實(shí)施形變的分布測量理論和技術(shù)已相對成熟，如基于布里淵散 射光的時(shí)域光纖網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)(Brillouin Optical Time-Domain Reflectormeter, B0TDR)利用
了光纖的背向布里淵散射頻率對光纖所受外界的應(yīng)變作用十分敏感，且有很好的線性關(guān)系。 該項(xiàng)技術(shù)巳在許多國家獲得應(yīng)用，我國正在開展該類技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用研究,如南京大學(xué)地球 科學(xué)系在南京大學(xué)初步建成了我國第一個(gè)分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室，購進(jìn)了日本NTT公司
生產(chǎn)的AQ8602光纖應(yīng)變/損失分析儀，承擔(dān)了如南京玄武湖隧道、南京鼓樓隧道等重大工程 的遠(yuǎn)程分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測研究項(xiàng)目；長江三峽大壩的溫度監(jiān)測也采用了分布式光纖傳感技 術(shù)。但上述的引進(jìn)與應(yīng)用研究主要針對光纖在混凝土和建筑物等剛性和半鋼性結(jié)構(gòu)上粘貼和
埋設(shè)等相關(guān)使用環(huán)境和技術(shù)。瑞士和韓國有研究者在山體滑坡監(jiān)測上有過嘗試，采用山頂上 打樁并將傳感光纜固定于沉樁上，從監(jiān)測光纜的拉伸或收縮判斷山體的走向，其使用前提是
要有好的打樁基礎(chǔ)。
但是,應(yīng)用光纖測量技術(shù)在土石堤壩，尤其是土壩類控導(dǎo)工程中使用時(shí)，介質(zhì)屬于松散體，且這類水工結(jié)構(gòu)物大都修建在河灘、湖岸，沒有好的基礎(chǔ)，很難有穩(wěn)定的樁基。光纖之所以 能實(shí)現(xiàn)傳感，其實(shí)質(zhì)在于有可以參考的基準(zhǔn)進(jìn)而得到被測部位的相對變形，如果沒有固定的 參考點(diǎn)，其變形的量化就無法實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)和構(gòu)建合理有效的傳感光纖(野外使用經(jīng)特殊處理 過的光纜)的支撐結(jié)構(gòu)，研究傳感光纖(光纜)的現(xiàn)場鋪設(shè)、粘貼和固定技術(shù)是分布式光纖 傳感技術(shù)相對成熟后亟待解決的應(yīng)用瓶頸問題。
此外，中國專利公開號CN 1598479A的"土體深部變形分布式光纖測量方法和系統(tǒng)"披 露了其測量系統(tǒng)由測斜管、分布式光纖傳感線路、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)處 理模塊等幾部分構(gòu)成。它采用基于自發(fā)布里淵散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)，通過將傳感 光纖按照全面粘貼的方式鋪設(shè)在測斜管的外表面，然后將測斜管埋設(shè)在土體中，用于測量土 體的變形或位移。當(dāng)深部土體發(fā)生位移，土體將帶動(dòng)測斜管發(fā)生變形，測斜管外壁的應(yīng)變量 也隨之變化，采用BOTDR可以直接測量出粘貼在測斜管外壁的光纖的應(yīng)變分布，數(shù)據(jù)的采 集過程由計(jì)算機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)，采集到的數(shù)據(jù)同樣由計(jì)算機(jī)控制模塊導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理模塊，按 照一定的算法計(jì)算出測斜管的變形量，從而得到土體的變形或位移。該技術(shù)方案的不足之處 是傳感光纖按照全面粘貼的方式鋪設(shè)在測斜管的外表面，它會(huì)因測斜管的厚度而對實(shí)際變形 量有衰減，系統(tǒng)的靈敏度受光纖的粘貼、測斜管厚度和材料等的影響很大，且傳感裸光纖直 接鋪設(shè)在測斜管的外表面，容易受到土體中石子、砂粒等的擠壓而折斷，從而失去信息源導(dǎo) 致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種分布式光纖形變探測管，它既結(jié)構(gòu)簡單、方 便操作、易于維護(hù)，又能充分利用介質(zhì)形變的信息源，實(shí)現(xiàn)精確、快速、安全地監(jiān)測堤壩、 基坑等工程，而且便于普及推廣。本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)上述分布式光纖形變 探測管的檢測方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的， 一種分布式光纖形變探測管，其主筒體的兩端經(jīng)階梯接頭分別與兩副 筒體的一端口連接成管腔體，該管腔體的內(nèi)腔設(shè)有經(jīng)固定夾，質(zhì)量塊及階梯接頭組成的光纖 單元通道，該光纖單元通道包括上光纖通道、下光纖通道和光纖鋪設(shè)時(shí)設(shè)置在光纖單元通道 兩端的左、右預(yù)留光纖巻，光纖先從管腔體右端口穿入，經(jīng)上光纖通道的右固定夾、右質(zhì)量 塊、右階梯接頭至左固定夾、左階梯接頭、并于左質(zhì)量塊處設(shè)置左預(yù)留光纖巻，繼續(xù)經(jīng)下光 纖通道的左固定夾、左質(zhì)量塊、左階梯接頭至右階梯接頭、右固定夾、且于右質(zhì)量塊處設(shè)置 右預(yù)留光纖巻，再從管腔體右端口穿出。為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其進(jìn)一步的措施是 光纖單元通道內(nèi)壁設(shè)有橡膠保護(hù)套。
管腔體的左端口設(shè)有左端蓋，管腔體的右端口設(shè)有右端蓋。 右端蓋包括一法蘭盤和與其連接的光纖支架。 管腔體內(nèi)腔的各端口與連接處均設(shè)有密封圈。
為實(shí)現(xiàn)上述另一目的，其管腔體的自由端置入被檢測介質(zhì)中，管腔體的固定端與分布式 光纖傳感分析儀連接，管腔體經(jīng)由介質(zhì)形變-介質(zhì)下沉-管腔體自由端下斜-管腔體自由端質(zhì)量 塊滑向管端-下光纖通道內(nèi)光纖被拉伸-分布式光纖傳感分析儀檢測信號，或者管腔體經(jīng)由介 質(zhì)形變-介質(zhì)隆起-管腔體自由端上翹-管腔體固定端質(zhì)量塊滑向管端-上光纖通道內(nèi)光纖被拉 伸-分布式光纖傳感分析儀檢測信號。
本發(fā)明采用主筒體的兩端經(jīng)階梯接頭分別與兩副筒體的一端口連接成管腔體，管腔體內(nèi) 腔設(shè)有經(jīng)固定夾，質(zhì)量塊及階梯接頭組成的光纖單元通道與預(yù)留光纖巻；檢測時(shí)，先將管腔 體自由端置入被檢測介質(zhì)中，管腔體固定端與分布式光纖傳感分析儀連接，管腔體經(jīng)介質(zhì)形 變引發(fā)管腔體自由端下斜或上翹，管腔體內(nèi)的質(zhì)量塊滑向管端，使下光纖通道或上光纖通道 內(nèi)的光纖被拉伸，經(jīng)分布式光纖傳感分析儀檢測信號，達(dá)到及時(shí)探測出被檢測工程的形變的 技術(shù)方案，克服了現(xiàn)有光纖與載體之間因按全面粘貼的方式且裸露鋪設(shè)在測斜管的外表面易 受到土體中石子、砂粒等的扎壓而受損甚至折斷，而實(shí)際測試所得的應(yīng)變被衰減，系統(tǒng)的靈 敏度受測斜管厚度和所用材料等較大影響的缺陷，并同時(shí)通過預(yù)留的光纖巻對檢測的應(yīng)變進(jìn) 行溫度補(bǔ)償。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的有益效果
(i )管腔體結(jié)構(gòu)簡單，連接牢固、可靠，剛性好，易于制造、安裝和維護(hù)；
(ii)無光纖與載體之間粘貼對應(yīng)變的衰減影響，無探測管與介質(zhì)之間的隨動(dòng)性變化；
(m)左、右預(yù)留光纖巻只受溫度變化影響，不受應(yīng)變影響，可對應(yīng)變進(jìn)行溫度補(bǔ)償；
(iv) 具有長距離、長壽命、高精度、分布式測試和長期監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)比較，能有效彌
補(bǔ)點(diǎn)式監(jiān)測盲區(qū)數(shù)據(jù)空缺的特點(diǎn)；
(v) 管腔體內(nèi)的光纖通道不受介質(zhì)變形而影響檢測質(zhì)量，能連續(xù)重復(fù)使用，使用安全、
可靠，便于普及、推廣。
它適合對各種堤壩、邊坡、坑基、樁、圍堰等工程的受力變形進(jìn)行長期監(jiān)測，安全監(jiān)控 和專業(yè)維護(hù)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1為本發(fā)明分布式光纖形變探測管的主視圖。
圖2為本發(fā)明分布式光纖形變探測管的檢測流程圖。
圖中l(wèi).主筒體，2.階梯接頭，3.副筒體，4.管腔體，41.左端蓋，42.右端蓋，421.法 蘭盤，422.光纖支架，43.密封圈，5.固定夾，6.質(zhì)量塊，7.光纖單元通道，71.上光纖通道， 72.下光纖通道，73.橡膠保護(hù)套，8.光纖，81.左預(yù)留光纖巻，82、右預(yù)留光纖巻。
具體實(shí)施例方式
參看附圖1-2，分布式光纖形變探測管，其主筒體1的兩端經(jīng)階梯接頭2分別與兩副筒 體3的一端口連接成管腔體4，該管腔體4的左端口設(shè)有左端蓋41，管腔體4的右端口設(shè)有 右端蓋42。右端蓋42包括一法蘭盤421和與其連接的光纖支架422。光纖支架422主要包括 一立式支板，此立式支板由兩法蘭盤421相向夾緊固定安裝于管腔體4固定端，立式支板中 心安裝一平行于管腔體4的光纖支承平板，光纖粘貼固定于支承平板的上、下平面內(nèi)。管腔 體4的內(nèi)腔設(shè)有經(jīng)固定夾5，質(zhì)量塊6及階梯接頭2組成的光纖單元通道7，該光纖單元通道 7包括上光纖通道71、下光纖通道72和鋪設(shè)光纖8時(shí)設(shè)置在光纖單元通道7兩端的左、右預(yù) 留光纖巻，該預(yù)留光纖巻只受溫度變化影響，而不受應(yīng)變影響，可對應(yīng)變進(jìn)行溫度補(bǔ)償。為 了提高檢測精度和靈敏度，管腔體4內(nèi)壁表面與質(zhì)量塊6外圓表面應(yīng)盡量保持光滑；為了使 光纖8在通道內(nèi)固定可靠、運(yùn)行安全，于光纖單元通道7內(nèi)壁設(shè)橡膠保護(hù)套73，管腔體4內(nèi) 壁的各端口與連接處均設(shè)有密封圈43。光纖單元通道7兩端的左、右預(yù)留光纖巻分別于左質(zhì) 量塊6處設(shè)置左預(yù)留光纖巻81，于右質(zhì)量塊6處設(shè)置右預(yù)留光纖巻82。
參見附圖，光纖8安裝時(shí)，將光纖8先從管腔體4右端口穿入，經(jīng)上光纖通道71的右固 定夾5、右質(zhì)量塊6、右階梯接頭2至左固定夾5、左階梯接頭2、并于左質(zhì)量塊6處設(shè)置預(yù) 留光纖巻81，繼續(xù)經(jīng)下光纖通道72的左固定夾5、左質(zhì)量塊6、左階梯接頭2至右階梯接頭 2、右固定夾5、且于右質(zhì)量塊6處設(shè)置右預(yù)留光纖巻82，再從管腔體4右端口穿出。
如附圖所示，實(shí)現(xiàn)分布式光纖形變探測管的檢測方法，檢測時(shí)，先將管腔體4的自由端 即無光纖引出端，置入被檢測介質(zhì)中，管腔體4的固定端與分布式光纖傳感分析儀連接，管 腔體4經(jīng)由介質(zhì)形變-介質(zhì)下沉-管腔體自由端下斜-管腔體自由端質(zhì)量塊滑向管端-下光纖通 道內(nèi)光纖被拉伸-分布式光纖傳感分析儀檢測信號，或者管腔體4經(jīng)由介質(zhì)形變-介質(zhì)隆起-管腔體自由端上翹-管腔體固定端質(zhì)量塊滑向管端-上光纖通道內(nèi)光纖被拉伸—分布式光纖傳 感分析儀檢測信號。
本發(fā)明分布式光纖形變探測管的正常工作是參見附圖，將主筒體1兩端內(nèi)壁分別與階梯接頭2的小頭外圓適配，在主筒體1的筒體 端口與階梯接頭2的端側(cè)之間裝入密封圈43，再在主筒體1徑向用螺釘擰緊；之后，將連接
到主筒體1兩端內(nèi)壁上的階梯接頭2大頭外圓分別與副筒體3的一端內(nèi)壁適配；同樣，在副
筒體3的筒體端口與階梯接頭2的另一端側(cè)之間裝入密封圈43，再在副筒體3徑向用螺釘擰 緊，此時(shí)，管腔體4總成組裝完畢；接著，在管腔體4兩端的副筒體3內(nèi)壁塞入質(zhì)量塊6， 于光纖單元通道7內(nèi)壁裝入橡膠保護(hù)套73，在塞入質(zhì)量塊6、橡膠保護(hù)套73的同時(shí)，進(jìn)行光 纖8的鋪設(shè)。光纖8鋪設(shè)時(shí)，將光纖8先從管腔體4右端口的右端蓋42的光纖支架422中的 上光纖通道71的橡膠保護(hù)套73中穿入，經(jīng)上光纖通道71的右固定夾5、右質(zhì)量塊6及橡膠 保護(hù)套73、右階梯接頭2及橡膠保護(hù)套73至左固定夾5、左階梯接頭2及橡膠保護(hù)套73、 左質(zhì)量塊6及橡膠保護(hù)套73，于左質(zhì)量塊6處設(shè)置左預(yù)留光纖巻81，之后，再繼續(xù)經(jīng)下光纖 通道72的左固定夾5、左質(zhì)量塊6及橡膠保護(hù)套73、左階梯接頭2及橡膠保護(hù)套73至右階 梯接頭2及橡膠保護(hù)套73、右固定夾5、右質(zhì)量塊6及橡膠保護(hù)套73，于右質(zhì)量塊6處設(shè)置 右預(yù)留光纖巻82，再從管腔體4右端口，經(jīng)右端蓋42的光纖支架422中的下光纖通道72的 橡膠保護(hù)套73中穿出。要特別注意光纖在鋪設(shè)過程中，上下兩光纖通道的左右兩固定夾之間 的光纖一定要拉直。其中，光纖支架422中的光纖支承平板的上、下平面分別為光纖單元通 道7的上光纖通道71與下光纖通道72的過渡支承平面。光纖8的兩端與分布式光纖傳感分 析儀連接。最后將管腔體4左端口用左端蓋41及密封圈43固定并密封。
使用時(shí)，將己鋪設(shè)好光纖8的管腔體4及管腔體4的自由端即無光纖引出端置入被監(jiān)測 的堤壩、邊坡、坑基、樁、圍堰等介質(zhì)中，管腔體4的固定端與分布式光纖傳感分析儀連接， 介質(zhì)形變引發(fā)介質(zhì)下沉或介質(zhì)隆起，使管腔體自由端下斜或管腔體自由端上翹，使管腔體自 由端質(zhì)量塊滑向管端或管腔體固定端質(zhì)量塊滑向管端，使下光纖通道內(nèi)光纖被拉伸或上光纖 通道內(nèi)光纖被拉伸，經(jīng)分布式光纖傳感分析儀檢測信號，達(dá)到及時(shí)有效的探測出堤壩、邊坡、 坑基、樁、圍堰等工程的形變，從而能及時(shí)的預(yù)警并為搶險(xiǎn)工作提供即時(shí)的信息。
以上僅僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的上述構(gòu)思，本領(lǐng)域的熟練人員還可對此 作出各種修改和變換。例如，主筒體經(jīng)階梯接頭與副筒體連接成管腔體以及經(jīng)固定夾、質(zhì)量 塊、階梯接頭組成的光纖單元通道及預(yù)留光纖巻等相互結(jié)合的修改和變換。然而，類似的這 種變換和修改均屬于本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。
權(quán)利要求
1、一種分布式光纖形變探測管，其特征在于主筒體(1)的兩端經(jīng)階梯接頭(2)分別與兩副筒體(3)的一端口連接成管腔體(4)，該管腔體(4)的內(nèi)腔設(shè)有經(jīng)固定夾(5)，質(zhì)量塊(6)及階梯接頭(2)組成的光纖單元通道(7)，該光纖單元通道(7)包括上光纖通道(71)、下光纖通道(72)和設(shè)置在光纖單元通道(7)兩端的左、右預(yù)留光纖卷，光纖(8)先從管腔體(4)右端口穿入，經(jīng)上光纖通道(71)的右固定夾(5)、右質(zhì)量塊(6)、右階梯接頭(2)至左固定夾(5)、左階梯接頭(2)、并于左質(zhì)量塊(6)處設(shè)置左預(yù)留光纖卷(81)，繼續(xù)經(jīng)下光纖通道(72)的左固定夾(5)、左質(zhì)量塊(6)、左階梯接頭(2)至右階梯接頭(2)、右固定夾(5)、且于右質(zhì)量塊(6)處設(shè)置右預(yù)留光纖卷(82)，再從管腔體(4)右端口穿出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖形變探測管，其特征在于光纖單元通道(7)內(nèi)壁 設(shè)有橡膠保護(hù)套(73)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖形變探測管，其特征在于管腔體(4)的左端口設(shè) 有左端蓋(41)，管腔體(4)的右端口設(shè)有右端蓋(42)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式光纖形變探測管，其特征在于右端蓋(42)包括一法蘭 盤(421)和與其連接的光纖支架(422)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖形變探測管，其特征在于管腔體(4)內(nèi)腔的各端 口與連接處均設(shè)有密封圈(43)。
6、 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的分布式光纖形變探測管的檢測方法，其特征在于管腔體(4) 的自由端置入被檢測介質(zhì)中，管腔體(4)的固定端與分布式光纖傳感分析儀連接，管腔體(4) 經(jīng)由介質(zhì)形變-介質(zhì)下沉-管腔體自由端下斜-管腔體自由端質(zhì)量塊滑向管端-下光纖通道光纖 被拉伸-分布式光纖傳感分析儀檢測信號，或者管腔體(4)經(jīng)由介質(zhì)形變-介質(zhì)隆起-管腔體 自由端上翹-管腔體固定端質(zhì)量塊滑向管端-上光纖通道光纖被拉伸-分布式光纖傳感分析儀 檢測信號。
全文摘要
一種分布式光纖形變探測管及其檢測方法，主筒體的兩端經(jīng)階梯接頭分別與兩副筒體的一端口連接成管腔體，管腔體內(nèi)腔設(shè)有經(jīng)固定夾，質(zhì)量塊及階梯接頭組成的光纖單元通道及預(yù)留光纖卷；檢測時(shí)，先將管腔體自由端置入被檢測介質(zhì)中，管腔體固定端與分布式光纖傳感分析儀連接，管腔體經(jīng)介質(zhì)形變引發(fā)管腔體自由端下斜或上翹，使管腔體質(zhì)量塊滑向管端，使下或上光纖通道內(nèi)光纖被拉伸，經(jīng)分布式光纖傳感分析儀檢測信號的技術(shù)方案，克服了現(xiàn)有光纖與載體之間因表面粘貼而引起實(shí)際應(yīng)變的衰減，且裸露鋪設(shè)在測斜管外表面更易導(dǎo)致?lián)p壞甚至折斷的缺陷。它適合各種堤壩、邊坡、坑基、樁、圍堰等工程的受力變形與長期監(jiān)測，安全監(jiān)控和專業(yè)維護(hù)。
文檔編號G01D5/26GK101303227SQ200810031609
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者賓光富, 朱萍玉, 李學(xué)軍, 沈意平, 王少力, 蔣桂林 申請人:湖南科技大學(xué)