專利名稱：松散地層的光纖光柵多點(diǎn)傳感裝置及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地質(zhì)地層觀測(cè)沉降的裝置及方法，具體涉及長(zhǎng)期觀測(cè)松散地層的光纖光柵多點(diǎn)傳感裝置及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
地層沉降是一種常見(jiàn)地質(zhì)現(xiàn)象。其地層沉降是一個(gè)緩慢、長(zhǎng)期演變發(fā)展的過(guò)程，嚴(yán)重時(shí)成為地質(zhì)災(zāi)害，威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全和構(gòu)筑物使用，并形成社會(huì)危害。地層沉降是指在一定的地表面積內(nèi)發(fā)生水平面降低的地質(zhì)現(xiàn)象，主要集中發(fā)生在人口比較密集、經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的城市成片高密度住宅區(qū)，地下水的過(guò)度抽取、大型地下工程的修建等日益頻繁的人類活動(dòng)，使得城市地表沉降逐漸成為不可忽視的地理現(xiàn)象，當(dāng)?shù)孛娉两道鄯e到一定程度， 即會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，其影響和危害程度正成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。地面沉降是當(dāng)今世界各國(guó)普遍存在和不容忽視的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前已經(jīng)有17個(gè)省份的96 個(gè)城市和地區(qū)發(fā)生了地面沉降，年沉降速度為10 56mm/a，造成千億元的經(jīng)濟(jì)損失。如礦山開(kāi)采引起的覆巖和地表塌陷、過(guò)度地下水開(kāi)采引起的地層沉陷、城市地下工程引起的基礎(chǔ)沉降等。造成地面沉降的原因很多，包括自然地質(zhì)因素以及開(kāi)發(fā)地下資源的人為因素。人為因素導(dǎo)致地面沉降的人為活動(dòng)有大量開(kāi)采地下資源，包括地下水、石油和天然氣、煤層； 大規(guī)模工程建設(shè)；以及沿海城市的填?；顒?dòng)。地下水資源開(kāi)采引發(fā)的地面沉降更為廣泛、危害和影響也更為深遠(yuǎn)，地下礦藏開(kāi)采引起的地面沉降近來(lái)也變得越來(lái)越普遍。礦山大面積的開(kāi)采在地表出現(xiàn)了地面形變和地面沉降，其影響范圍可達(dá)幾十到幾百km2，由此引起的地形和水文的變化在相當(dāng)大的程度上破壞了耕地、建筑物及其他基礎(chǔ)設(shè)施。中國(guó)改革開(kāi)放三十年來(lái)，華東地區(qū)的淮北、淮南、大屯、徐州、兗州、棗莊、永夏、巨野等礦區(qū)煤炭生產(chǎn)持續(xù)增長(zhǎng)，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。與此同時(shí)，自上世紀(jì)80年代以來(lái)，該地區(qū)相繼有上百個(gè)井筒發(fā)生了變形破壞，嚴(yán)重危害煤礦安全，集中突發(fā)性壞井之多、范圍之廣，為國(guó)際采礦史上所罕見(jiàn)，涉及江蘇、山東、安徽、河南四省，合計(jì)年產(chǎn)量超過(guò) 300Mt。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，立井井筒在具有足夠的保安煤柱的條件下，出現(xiàn)的這種破壞其原因是該地區(qū)第四系含水層(組)的疏排水固結(jié)沉降變形，不同層位地層沉降變形導(dǎo)致的災(zāi)害現(xiàn)象，而且治理后的井筒在正常使用中發(fā)生重復(fù)性破壞。在我國(guó)的華東地區(qū)分布著廣泛地新生界松散含水地層，這種地層特性決定了它的失水沉降性，即松散含水地層由于受到地質(zhì)構(gòu)造影響或者采動(dòng)影響，新生界松散層下含水通過(guò)基巖風(fēng)化帶裂隙通道不斷流失，導(dǎo)致含水位大幅度下降，引起松散巖體有效應(yīng)力增加， 含水層巖石產(chǎn)生壓縮變形。致使分布在該區(qū)域內(nèi)的淮北、淮南、徐州、兗州等礦區(qū)的上百個(gè)井筒發(fā)生了變形破壞，嚴(yán)重影響了各礦井的安全生產(chǎn)。這些井筒破壞的共同特征為井筒罐道縱向彎曲變形影響提升，甚至造成卡罐事故；井壁均為橫向斷裂，破裂帶內(nèi)混凝土成片剝落，井壁內(nèi)縱向鋼筋向井內(nèi)彎曲，橫筋出露且破裂處漏水，有時(shí)帶砂；破裂帶在水平方向交圈，井壁破壞帶都在新生界松散層與基巖交界面附近，松散含水層出現(xiàn)持續(xù)大幅度水位下降。縱觀地面沉降地質(zhì)災(zāi)害，長(zhǎng)期、連續(xù)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)是防治地面沉降最有效也是最根本的措施。常規(guī)的地面沉降監(jiān)測(cè)一般采用實(shí)地水準(zhǔn)測(cè)量或者GPS測(cè)量方法，前者需要野外作業(yè)，并且周期長(zhǎng)、花費(fèi)大；后者雖然解決了水準(zhǔn)測(cè)量周期長(zhǎng)的問(wèn)題，但仍然無(wú)法滿足大范圍的監(jiān)測(cè)要求。星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)成為城市地表沉降監(jiān)測(cè)的重要手段， 合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)融合(Interferometric Syn2thetic Aperture Radar, InSAR) 了合成孔徑雷達(dá)成像原理以及電磁波干涉技術(shù)，可以獲得非常精確的數(shù)字高程模型和毫米量級(jí)的地表形變信息。與常規(guī)方法(如GPS、水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)等)相比，InSAR具有全天時(shí)、全天候?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)；且覆蓋范圍廣，空間分辨率高，可以實(shí)施大范圍內(nèi)連續(xù)地表監(jiān)測(cè)。 因此，水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量以及近年發(fā)展起來(lái)的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)是地表沉降監(jiān)測(cè)的重要手段。地面沉降是由于地層巖土體壓縮導(dǎo)致。目前針對(duì)地面以下不同深度的分層沉降監(jiān)測(cè)主要有分層沉降計(jì)法和鉆孔伸長(zhǎng)儀+鉆孔測(cè)斜儀法，以及采用水位長(zhǎng)觀孔對(duì)某一層位的水位變化進(jìn)行輔助性監(jiān)測(cè)的方法。(1)分層沉降計(jì)法這種地層沉降變形觀測(cè)方法的使用者是日本興合株式會(huì)社(如圖1所示)。使用磁致式直線型位移傳感器，可以進(jìn)行高精度變形監(jiān)測(cè)，分辨率達(dá)到0. 2mm。它適應(yīng)于深度在 20m左右的分層沉降監(jiān)測(cè)，它最多只能采用6通道專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在6個(gè)不同深度位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？梢岳眯】趶姐@孔安裝儀器，套管直徑為86. 1mm。這種監(jiān)測(cè)方法耗能少，僅用 5號(hào)干電池就可以進(jìn)行半年以上的變形連續(xù)觀測(cè)，每天監(jiān)測(cè)24次，且數(shù)據(jù)回收十分簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)結(jié)束后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以回收，反復(fù)使用。但是這種方法的缺陷不容忽視，它監(jiān)測(cè)深度低、 易受到電磁干擾、不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)且測(cè)點(diǎn)位置不能多于6個(gè)，從而限制了它的推廣應(yīng)用。圖1所示為分層沉降計(jì)安裝示意圖。圖中1_數(shù)據(jù)集成處理裝置；2-導(dǎo)線；3-基座；4-磁致式傳感器；5-套管；6-地層(2)巖體內(nèi)部下沉測(cè)量(鉆孔伸長(zhǎng)儀)該系統(tǒng)主要由探頭、電纜、帶指示裝置的卷纜輪、測(cè)管、感應(yīng)環(huán)和基架組成。探頭內(nèi)部有無(wú)線電頻率振蕩和電測(cè)器電路。先在測(cè)管上按一定的間隔布置感應(yīng)環(huán)，然后安置于鉆孔中，用充填砂漿使其與孔壁膠結(jié)在一起，以保證感應(yīng)環(huán)與圍巖一起運(yùn)動(dòng)。觀測(cè)時(shí)，通過(guò)探頭在測(cè)管內(nèi)上下移動(dòng)，確定感應(yīng)環(huán)的位置。探頭內(nèi)的感應(yīng)電路在探頭接近感應(yīng)環(huán)時(shí)，將引起蜂鳴器報(bào)警，并使指示器上的指針偏轉(zhuǎn)。當(dāng)指針達(dá)到峰值，即探頭中心正好對(duì)準(zhǔn)感應(yīng)環(huán)時(shí)，利用電纜和標(biāo)尺上的刻度，可測(cè)得探頭中心所在的刻度。根據(jù)一定時(shí)間間隔內(nèi)前后兩次測(cè)量結(jié)果，可計(jì)算出不同深度(感應(yīng)環(huán)所在位置)巖層的垂直位移以及每一段內(nèi)巖層的豎向伸長(zhǎng)或壓縮量。為獲得絕對(duì)的位移值，至少應(yīng)有一個(gè)感應(yīng)環(huán)(如孔底附近)埋在穩(wěn)定巖石中，或者有一個(gè)感應(yīng)環(huán)在(在孔口附近)用其它方法測(cè)得絕對(duì)位移值。感應(yīng)環(huán)安裝在軟管上，軟管隨管外而動(dòng)，如圖2所示。對(duì)于一個(gè)熟練的操作員，探測(cè)精度可達(dá)到1. 5mm。圖2所示為下沉測(cè)量系統(tǒng)(伸長(zhǎng)儀)安裝示意圖。圖中1_基準(zhǔn)架；2-讀數(shù)裝置、卷纜輪；3-水泥漿、4-充填砂漿；5-用粘結(jié)劑和膠帶密封的感應(yīng)環(huán)；6-感應(yīng)環(huán)；7-傾斜儀套管接頭；8-傾斜儀套管；9-注漿閥門；10-重錘；11-探頭；12-用粘結(jié)劑和膠帶密封的軟管接頭；13-用尼龍絲或膠帶固定的軟管接頭； 14-固定在剛性管上的軟管末端。(3)巖體內(nèi)部水平位移測(cè)量(鉆孔測(cè)斜儀器)圖3所示為巖體內(nèi)部水平移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的安裝及原理示意圖。主要組成部件有傳感器、電纜、度數(shù)裝置和測(cè)管。傳感器用于提供一個(gè)與本身偏離豎直方向的偏角成正比的電信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)電纜傳遞給度數(shù)設(shè)備。傳感器由兩個(gè)互相垂直的伺服加速器組成，因此， 它可以同時(shí)測(cè)定兩個(gè)互相垂直方向上的偏離豎直方向的偏角。測(cè)管一般用特制的塑料管。 測(cè)管內(nèi)壁帶有四個(gè)等間隔分布的導(dǎo)向槽。傳感器上的導(dǎo)向輪借助預(yù)導(dǎo)向槽控制測(cè)量方位。 測(cè)管一般加工成2m或4m—節(jié)，節(jié)與節(jié)之間通過(guò)特制的接頭進(jìn)行連接，以保證上、下管內(nèi)的導(dǎo)向槽對(duì)齊。將傳感器通過(guò)電纜和讀數(shù)設(shè)備連接在一起，由孔口用電纜將傳感器下放到測(cè)管內(nèi)，依次用電纜上的刻度將傳感器標(biāo)定到每一個(gè)指定的深度處，測(cè)出偏斜增量。整個(gè)鉆孔測(cè)定后，計(jì)算除鉆孔內(nèi)每一指定深度相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)(孔口或孔底處)的偏斜值。在一定時(shí)間間隔內(nèi)，前后兩次測(cè)量所得的各深度處鉆孔偏斜值之差，即為各深度處的水平移動(dòng)值。圖中1-電纜；2-傳感器；3-鉆孔；4-接頭；5-套管；6_充填料；7_總位移；8_位移；9-初始位置；10-導(dǎo)向槽；11-導(dǎo)向輪；12-讀數(shù)間距；13-讀數(shù)設(shè)備在安裝良好、鉆孔偏離豎直方向的偏角不超過(guò)3°的情況下，一個(gè)30m深的鉆孔中，測(cè)量的總位移的誤差不超過(guò)7. 5mm。以兩倍中誤差作為極限誤差，那么，測(cè)定位移的測(cè)定中誤差為3. 75mm。這些方法均為電測(cè)或機(jī)測(cè)，受井筒作業(yè)環(huán)境影響，電子元件極易損壞，易受到電磁干擾，同時(shí)監(jiān)測(cè)深度和測(cè)點(diǎn)數(shù)目受到限制。美國(guó)Sondex公司生產(chǎn)的Sondex沉降系統(tǒng)可在一個(gè)鉆孔中對(duì)深度200m的地層內(nèi)部沉降變形進(jìn)行量測(cè)，存在鉆孔需要長(zhǎng)期保護(hù)，人工操作， 非連續(xù)測(cè)量，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的缺陷。面對(duì)快速發(fā)展的煤礦，只能采用對(duì)井筒變形的直接監(jiān)測(cè)，有埋入井壁的電類應(yīng)力應(yīng)變傳感器或振弦式傳感器的立井井壁監(jiān)測(cè)、GPS法、倒錘法和鋼絲基準(zhǔn)線法井筒變形測(cè)量系統(tǒng)等。井筒破壞治理技術(shù)以井壁破壞后為主，難度大，影響生產(chǎn)、費(fèi)用高且由于井壁整體性已遭到破壞，治理效果不理想。使用正確、有效的監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)地層固結(jié)沉降監(jiān)測(cè)和預(yù)警，及時(shí)識(shí)別從微觀到宏觀的破壞特征，是避免前述災(zāi)害的根本所在。華東地區(qū)立井井筒穿過(guò)的第四系松散地層具有的地質(zhì)特征(1)第四系松散地層均較厚，兗州礦區(qū)大都在200m以上，徐州、兩淮等礦區(qū)也都大于100m。(2)第四系下組含水層含水較豐富，且與下部基巖(也就是煤系地層)有水力聯(lián)系。破壞井壁處于厚沖積層地區(qū)，地下水位下降10 100m，分層沉降表現(xiàn)在工業(yè)廣場(chǎng)地面累計(jì)沉降量達(dá)到200 400mm。 此種復(fù)雜地質(zhì)條件，至今還沒(méi)有一套理論能準(zhǔn)確計(jì)算出井壁的受力和預(yù)計(jì)的破壞時(shí)間，決定了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分必要。截止目前，尚無(wú)有效的對(duì)深厚地層變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)和裝置應(yīng)用。光纖光柵卓越的組網(wǎng)能力使采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法全面了解區(qū)域地層沉降成為可能。近年來(lái)發(fā)展了一種新穎的復(fù)合材料的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與損傷估計(jì)方法-光纖機(jī)敏材料與結(jié)構(gòu)，1979年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)首次把光纖埋入聚合物基復(fù)合材料內(nèi)，1989年美國(guó)布朗大學(xué)(Brown University)的門德斯(Mendez)等人首先提出了光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。光纖Bragg光柵(FBG)是20世紀(jì)90年代以來(lái)國(guó)際上新興的一種有著廣泛應(yīng)用前景的、性能優(yōu)良的反射濾波無(wú)源敏感元件。光纖光柵作為傳感器的一個(gè)重要的用途就是埋入復(fù)合材料或者結(jié)構(gòu)中來(lái)實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，Alavie, Schulz,Mrad,Yongwang等將光纖Bragg光柵埋入混凝土橋中測(cè)試應(yīng)力應(yīng)變，測(cè)試鋼-混凝土界面產(chǎn)生滑移變形的臨界應(yīng)變值及其發(fā)展過(guò)程，用于建筑結(jié)構(gòu)損傷診斷，進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性無(wú)損評(píng)估和內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)檢測(cè)。與傳統(tǒng)的電類傳感器相比，它具有不怕惡劣環(huán)境、不受環(huán)境噪聲干擾、耐磨蝕、抗電磁干擾、使用安全可靠、集傳感與傳輸于一體、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，滿足了礦山監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)距離、分布式和長(zhǎng)期性的技術(shù)要求。在巖土工程中，日本T. Sato等人用光纖Bragg光柵制作鋁板測(cè)試裝置進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量；德國(guó)GFZ Pots-dam開(kāi)發(fā)了一種在地下挖掘過(guò)程中測(cè)試應(yīng)變的光纖光柵傳感器，即在地腳螺栓中植入光纖光柵。光纖Bragg光柵已應(yīng)用在石油工程、巖石力學(xué)性能測(cè)試，模擬實(shí)驗(yàn)的測(cè)試、光纖傳感器應(yīng)變傳遞分析?？梢灶A(yù)見(jiàn)，將光纖光柵埋入地層內(nèi)部，光纖光柵陣列與波分復(fù)用(WDM)、時(shí)分復(fù)用(TDM)和空分復(fù)用(SDM)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建多點(diǎn)準(zhǔn)分布式大容量光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)大尺度的地層分層沉降的多點(diǎn)測(cè)量和研究。2008年5月19日緊急召開(kāi)的“四川汶川特大地震發(fā)生機(jī)理及后續(xù)災(zāi)情科學(xué)分析”的香山科學(xué)會(huì)議上，有學(xué)者提出光纖傳感器可能是目前最好的地震監(jiān)測(cè)手段，其原因就是光纖可用于檢測(cè)地層內(nèi)部應(yīng)力、溫度、位移和傾斜、地下流體壓力等地下物理量的動(dòng)態(tài)變化和異常情況。面對(duì)我國(guó)重點(diǎn)能源基礎(chǔ)設(shè)施的安全健康監(jiān)測(cè)的重大需求，從滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全生產(chǎn)的需求出發(fā)，系統(tǒng)深入地開(kāi)展新一代光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵器件的基礎(chǔ)研究工作，研制適合于地層分層沉降的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光纖傳感儀，在解決長(zhǎng)距離光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題方面和新一代光纖傳感器關(guān)鍵器件方面有所突破，為華東地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用光纖光柵預(yù)警松散層的變形奠定基礎(chǔ)。從理論上講，光纖可制成靈敏的、多用途的傳感器，光纖光柵傳感器的復(fù)用陣列可用于多種地層分層沉降的監(jiān)測(cè)，在煤礦的多點(diǎn)離層監(jiān)測(cè)、城市區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)沉降等領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不怕惡劣環(huán)境、耐磨蝕、抗電磁干擾、安全可靠、集傳感與傳輸于一體使用方便的長(zhǎng)期觀測(cè)地層沉降的光纖光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置。本發(fā)明的另一目的在于提供光纖光柵傳感裝置的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明的再一目的在于提供監(jiān)測(cè)方法。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣解決的地層沉降的光纖光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置的特殊之處在于該裝置包括由光纖光柵傳感器陣列、光纖光柵網(wǎng)絡(luò)傳感分析儀、一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接組成。所述光纖光傳感器陣列由多個(gè)單個(gè)光纖光柵傳感器依次串聯(lián)連接構(gòu)成1根線性陣列，其每根線性陣列并聯(lián)連接后至少構(gòu)成三個(gè)陣列。所述光纖光柵網(wǎng)絡(luò)傳感分析儀內(nèi)置的寬帶光源施加光源給光纖光柵傳感器，所述光纖光柵傳感器返回的光信號(hào)再通過(guò)耦合器輸入給光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入給數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)字信號(hào)輸入給波長(zhǎng)計(jì)算模塊，波長(zhǎng)計(jì)算模塊得出光柵傳感器的中心波長(zhǎng)輸入給計(jì)算機(jī)。所述1根線性陣列的測(cè)試線路為雙回路，其中雙回路有2個(gè)接頭，系統(tǒng)共計(jì)有2 XN 個(gè)接頭，即2XN根引出光纖通道。所述光纖光柵傳感器的是將光纖光柵嵌入玻璃纖維增強(qiáng)聚合物材料中，形成由光纖Bragg光柵和玻璃纖維增強(qiáng)聚合物組成直徑8mm、長(zhǎng)度220mm、端部擴(kuò)徑為16mm的圓柱形結(jié)構(gòu)。所述光纖光柵傳感器陣列通過(guò)一個(gè)鉆孔植入地層深部。所述光纖光柵傳感器陣列植入鉆孔時(shí)，用水泥砂漿分段澆筑，形成層間分隔。一種多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特殊之處在于該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器模塊一端與計(jì)算機(jī)的多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)模塊連接，另一端與數(shù)據(jù)分析模塊連接，所述數(shù)據(jù)分析模塊分兩路，其中一路與波長(zhǎng)漂移量計(jì)模塊連接，另一與ODBC存儲(chǔ)器模塊連接，所述波長(zhǎng)漂移量計(jì)模塊分別與實(shí)時(shí)顯示波長(zhǎng)模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線系統(tǒng)模塊、信息提示及預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)模塊連接，所述ODBC存儲(chǔ)器模塊分別與數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊連接，所述數(shù)據(jù)處理器模塊分別與歷史監(jiān)測(cè)曲線模塊、生成監(jiān)測(cè)報(bào)告模塊連接。一種監(jiān)測(cè)方法，按下述步驟進(jìn)行1)、光纖光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置配置嵌入式計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)配置標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口和IOM以太網(wǎng)口 ；2)、以太網(wǎng)將被測(cè)量的光纖光柵多點(diǎn)傳感器反射回來(lái)的光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；3)、再通過(guò)內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出每一個(gè)光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)值；4)、計(jì)算機(jī)設(shè)備與光纖光柵多點(diǎn)傳感器之間通過(guò)以太網(wǎng)線連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)TCP/ IP協(xié)議從光纖光柵多點(diǎn)傳感器中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；5)、將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息以曲線的形式直觀地顯示出來(lái)；6)、以曲線方式顯示數(shù)據(jù)有兩種常用的形式，即實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線；7)、實(shí)時(shí)曲線根據(jù)數(shù)據(jù)的采樣周期實(shí)時(shí)刷新顯示，準(zhǔn)確反映當(dāng)前數(shù)據(jù)的變化情況， 實(shí)時(shí)曲線常用于顯示有限時(shí)間域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)；8)、歷史數(shù)據(jù)需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)，它能夠反映過(guò)去某段時(shí)間域內(nèi)數(shù)據(jù)的變化情況；9)、多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議建立系統(tǒng)軟件與光纖光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置連接，為數(shù)據(jù)的采集提供方法；10)、數(shù)據(jù)采集模塊(6)在網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上從光纖光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置中讀取數(shù)據(jù)，并將所讀取的數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)以備數(shù)據(jù)分析使用；11)、數(shù)據(jù)分析模塊(10)對(duì)所采集的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，去除異常數(shù)據(jù)，保留準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并提供系統(tǒng)工作狀態(tài)的分析與提示；12)、數(shù)據(jù)顯示及生成報(bào)告模塊將讀取的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)或曲線的形式顯示出來(lái)，或者將歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以監(jiān)測(cè)曲線和監(jiān)測(cè)報(bào)告的形式顯示出來(lái)；13)、數(shù)據(jù)存取模塊(12)以Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)MFC0DBC方法將所采集和分析過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行永久保存，同時(shí)在需要查看歷史數(shù)據(jù)時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不怕惡劣環(huán)境、耐磨蝕、抗電磁干擾、安全可靠、集傳感與傳輸于一體，使用方便的特點(diǎn)。本發(fā)明除具有以上的特點(diǎn)外，還有以下優(yōu)點(diǎn)(1)、改變傳統(tǒng)的用鉆孔水位長(zhǎng)觀孔監(jiān)測(cè)某一層位的水位動(dòng)態(tài)變化得出某一層位的壓縮量的方法，直接測(cè)試不同深度地層的應(yīng)變值，得出區(qū)域地層的沉降量，從根本上改變了測(cè)試的方法。(2)、現(xiàn)有技術(shù)由于受到電信號(hào)的影響，一個(gè)鉆孔中測(cè)點(diǎn)位置不能多于6個(gè)，且測(cè)量精度低，受作業(yè)環(huán)境影響，電子元件極易損壞，易受到電磁干擾且不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)變形過(guò)程的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，從而限制了它的推廣應(yīng)用。(3)、光纖傳感技術(shù)滿足了巖體或礦山井下設(shè)備監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)距離、分布式和長(zhǎng)期性監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求。(4)、將光纖光柵傳感器埋入巖層內(nèi)部，光纖光柵陣列與波分復(fù)用(WDM)、時(shí)分復(fù)用 (TDM)和空分復(fù)用(SDM)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建多點(diǎn)準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體大尺度的多點(diǎn)在線測(cè)量，廣泛用于礦山，山體滑坡，城市區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)沉降等領(lǐng)域。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)分層沉降計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)伸長(zhǎng)儀監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)水平移動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明分層沉降光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明光纖光柵傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為光纖光柵傳感分層沉降儀裝置框圖結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)軟件界面曲線示意圖；圖11為光纖光柵系統(tǒng)下放及注漿工藝施工示意圖；圖12為第10層埋設(shè)光纖光柵波長(zhǎng)漂移量變化曲線示意圖；圖13為第17層埋設(shè)光纖光柵波長(zhǎng)漂移量變化曲線示意圖；圖14為第24層埋設(shè)光纖光柵波長(zhǎng)漂移量變化曲線示意圖；圖15為第34層埋設(shè)光纖光柵波長(zhǎng)漂移量變化曲線示意圖；圖16為第38層埋設(shè)光纖光柵波長(zhǎng)漂移量變化曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式附圖為本發(fā)明的實(shí)施例。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明圖4、圖5、圖8所示，該裝置包括由光纖光柵傳感器陣列、光纖光柵網(wǎng)絡(luò)傳感分析儀、一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接組成；所述光纖光傳感器陣列1由6個(gè)光纖光柵傳感器依次串聯(lián)連接構(gòu)成1根線性陣列，其每根線性陣列并聯(lián)連接后至少構(gòu)成三個(gè)陣列；所述光纖光柵分層沉降儀2內(nèi)置的寬帶光源3施加光源給光纖光柵傳感器1，光纖光柵傳感器1返回的光信號(hào)再通過(guò)耦合器4輸入給光電轉(zhuǎn)換器5，光電轉(zhuǎn)換器5將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入給數(shù)據(jù)采集模塊6，數(shù)據(jù)采集模塊6將數(shù)字信號(hào)輸入給波長(zhǎng)計(jì)算模塊7，波長(zhǎng)計(jì)算模塊7得出光柵傳感器的中心波長(zhǎng)輸入給計(jì)算機(jī)8。該光纖光傳感器陣列由6個(gè)單個(gè)光纖光柵傳感器依次串聯(lián)連接構(gòu)成1根線性陣列，其每根線性陣列并聯(lián)連接后至少構(gòu)成三個(gè)陣列。形成波分復(fù)用/空分復(fù)用混合陣列型， 相鄰兩光柵間帶寬超過(guò)5. 5nm，共有6N個(gè)光柵。在傳感陣列的各支路內(nèi)采用波分復(fù)用技術(shù)， 支路之間采用空分復(fù)用技術(shù)，采用光開(kāi)關(guān)切換各傳感支路，各支路互不串?dāng)_，其對(duì)應(yīng)的光纖光柵波長(zhǎng)可一致，使相同波長(zhǎng)的光纖光柵可大量用于同一傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中。所述1根線性陣列的測(cè)試線路為雙回路，其中雙回路有2個(gè)接頭，系統(tǒng)共計(jì)有2 XN 個(gè)接頭，即2XN根引出光纖通道。所述光纖光柵傳感器為將光纖光柵嵌入玻璃纖維增強(qiáng)聚合物材料中，形成由光纖 Bragg光柵和玻璃纖維增強(qiáng)聚合物組成直徑8mm、長(zhǎng)度220mm、端部擴(kuò)徑為16mm的圓柱形結(jié)構(gòu)。所述光纖光柵傳感器陣列2通過(guò)一個(gè)鉆孔植入地層深部。所述光纖光柵傳感器陣列植入鉆孔時(shí)，用水泥砂漿分段澆筑，形成層間分隔。光纖Bragg光柵分層沉降傳感器，將光纖Bragg光柵嵌入碳鋼材料或者高聚合物復(fù)合材料中，構(gòu)成圓柱狀結(jié)構(gòu)的傳感器(由光纖Bragg光柵和碳鋼組成，直徑為8mm，長(zhǎng)度為220mm，端部擴(kuò)徑為16mm的圓柱狀結(jié)構(gòu)。傳輸光纖為鎧裝結(jié)構(gòu)，形成光纖光柵-碳鋼-水泥砂漿-巖層的力學(xué)傳遞系統(tǒng)。采用傳感光柵是高摻鍺光敏光纖以相位掩膜法制作的，長(zhǎng)度15mm，形成波分復(fù)用/空分復(fù)用混合陣列型，相鄰兩光柵間帶寬超過(guò)5. 5nm，共有6N個(gè)光柵。在傳感陣列的各支路內(nèi)采用波分復(fù)用技術(shù)，支路之間采用空分復(fù)用技術(shù)，采用光開(kāi)關(guān)切換各傳感支路，各支路互不串?dāng)_，其對(duì)應(yīng)的光纖光柵波長(zhǎng)可一致，使相同波長(zhǎng)的光纖光柵可大量用于同一傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中。該光纖光傳感器陣列由個(gè)單個(gè)光纖光柵傳感器依次串聯(lián)連接構(gòu)成1根線性陣列， 其每根線性陣列并聯(lián)連接后至少構(gòu)成三個(gè)陣列。光纖Bragg光柵分層沉降傳感器，將光纖Bragg光柵嵌入玻璃纖維增強(qiáng)聚合物材料或者碳鋼材料中，構(gòu)成圓柱狀結(jié)構(gòu)的傳感器(由光纖Bragg光柵和增強(qiáng)聚合物組成，直徑為8mm，長(zhǎng)度為220mm，端部擴(kuò)徑為16mm的圓柱狀結(jié)構(gòu))。傳輸光纖為鎧裝結(jié)構(gòu)，形成光纖光柵_(tái)聚合物_水泥砂漿_巖層的力學(xué)傳遞系統(tǒng)。采用傳感光柵是高摻鍺光敏光纖以相位掩膜法制作的，長(zhǎng)度15mm。圖6所示為光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖，地層沉降變形觀測(cè)方法就是將光纖光柵傳感器形成的陣列安裝在鉆孔中，并用水泥砂漿封孔，由鉆孔引出的光纖線路直接接入地面監(jiān)控室計(jì)算機(jī)。根據(jù)礦井地質(zhì)條件和松散層沉降變形，光纖光柵傳感器主要布置在砂礫層和松散層與基巖交接處，以及部分的粘土層中。在距地面至少50m距離的上述不同層位的位置處設(shè)置光纖光柵傳感器，鉆孔深度可以達(dá)到170 240m。
圖7所示為光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在煤礦工業(yè)廣場(chǎng)主井、風(fēng)井之間，分別距主井和風(fēng)井水平一定距離的位置設(shè)置松散層沉降變形觀測(cè)鉆孔，通過(guò)鉆孔將光纖光柵傳感器安裝埋入松散層中，利用光纖光柵傳感器對(duì)巖石變形的高精度感知，形成對(duì)松散含水地層井筒變形的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)方法。參照?qǐng)D8所示，一種長(zhǎng)期觀測(cè)松散地層沉降變形的裝置，該裝置包括由光纖光柵傳感器陣列、光纖光柵網(wǎng)絡(luò)傳感分析儀、一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接組成，所述光纖光傳感器陣列1由多個(gè)單個(gè)光纖光柵傳感器依次串聯(lián)連接構(gòu)成1根線性陣列，其每根線性陣列并聯(lián)連接后至少構(gòu)成三個(gè)陣列；所述光纖光柵網(wǎng)絡(luò)傳感分析儀2內(nèi)置的寬帶光源3施加光源給光纖光柵傳感器1， 光纖光柵傳感器1返回的光信號(hào)再通過(guò)耦合器4輸入給光電轉(zhuǎn)換器5，光電轉(zhuǎn)換器5將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入給數(shù)據(jù)采集模塊6，數(shù)據(jù)采集模塊6將數(shù)字信號(hào)輸入給波長(zhǎng)計(jì)算模塊 7，波長(zhǎng)計(jì)算模塊7得出光柵傳感器的中心波長(zhǎng)輸入給計(jì)算機(jī)8。所述1根線性陣列的測(cè)試線路為雙回路，其中雙回路有2個(gè)接頭，系統(tǒng)共計(jì)有2 XN 個(gè)接頭，即2XN根引出光纖通道。所述光纖光柵傳感器的嵌入材料與結(jié)構(gòu)形式為將光纖光柵嵌入玻璃纖維增強(qiáng)聚合物材料中，形成由光纖Bragg光柵和玻璃纖維增強(qiáng)聚合物組成直徑8mm、長(zhǎng)度220mm、端部擴(kuò)徑為16mm的圓柱形結(jié)構(gòu)。所述的光纖光柵傳感器陣列2通過(guò)一個(gè)鉆孔植入地層深部。所述光纖光柵傳感器陣列植入鉆孔時(shí)，用水泥砂漿分段澆筑，形成層間分隔。采用傳感光柵是高摻鍺光敏光纖以相位掩膜法制作的，長(zhǎng)度15mm，形成波分復(fù)用 /空分復(fù)用混合陣列型，相鄰兩光柵間帶寬超過(guò)5. 5nm，共有6N個(gè)光柵。在傳感陣列的各支路內(nèi)采用波分復(fù)用技術(shù)，支路之間采用空分復(fù)用技術(shù)，采用光開(kāi)關(guān)切換各傳感支路，各支路互不串?dāng)_，其對(duì)應(yīng)的光纖光柵波長(zhǎng)可一致，使相同波長(zhǎng)的光纖光柵可大量用于同一傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中。從理論上講，光纖可制成靈敏的、多用途的光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器的復(fù)用陣列可用于多種地層分層沉降的監(jiān)測(cè)，在巖體或煤礦的多點(diǎn)離層監(jiān)測(cè)、城市區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)沉降等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)礦井地層情況，以及光纖光柵感技術(shù)的發(fā)展，發(fā)明人提出了一種新型的在預(yù)設(shè)地層鉆孔中埋入光纖Bragg光柵傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，在鉆孔中構(gòu)成一個(gè)由多個(gè)(如18個(gè)光纖光柵)光纖光柵組成的具有特色的光纖Bragg光柵波分復(fù)用/時(shí)分復(fù)用/空分復(fù)用混合陣列。當(dāng)寬帶光通過(guò)光纖傳輸時(shí)，寫入光柵的光纖反射波長(zhǎng)(λΒ)取決于Bragg光柵反射條件λΒ = 2nrffA，nrff為纖芯有效折射率，A為光纖光柵周期。應(yīng)變與溫度都能夠引起 λ ^變化，因此，測(cè)試系統(tǒng)是以識(shí)別波長(zhǎng)的改變(Δ λΒ)來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)變與溫度的變化。由于這樣深度的地層處于恒溫狀態(tài)，本發(fā)明應(yīng)用中未考慮溫度對(duì)光纖光柵的影響以及補(bǔ)償。光纖Bragg光柵分層沉降儀包括光纖Bragg光柵分層沉降傳感器、光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面處理系統(tǒng)。由PI03四通道光纖光柵網(wǎng)絡(luò)傳感分析儀、網(wǎng)線和計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)如圖6所示。光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置功能強(qiáng)大的嵌入式計(jì)算機(jī)，配置標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口和IOM 以太網(wǎng)口，它將被測(cè)量的光纖光柵傳感器反射回來(lái)的光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出每一個(gè)光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)值。計(jì)算機(jī)設(shè)備與光纖光柵網(wǎng)絡(luò)傳感分析儀之間通過(guò)以太網(wǎng)線連接，計(jì)算機(jī)通過(guò) TCP/IP協(xié)議從光纖光柵網(wǎng)絡(luò)傳感分析儀中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)是將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息以曲線的形式直觀地顯示出來(lái)。以曲線方式顯示數(shù)據(jù)有兩種常用的形式，即實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。實(shí)時(shí)曲線根據(jù)數(shù)據(jù)的采樣周期實(shí)時(shí)刷新顯示，準(zhǔn)確反映當(dāng)前數(shù)據(jù)的變化情況，實(shí)時(shí)曲線常用于顯示有限時(shí)間域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)，它能夠反映過(guò)去某段時(shí)間域內(nèi)數(shù)據(jù)的變化情況。參照?qǐng)D9所示，一種光纖光柵傳感分析儀裝置對(duì)地表沉降變形的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器模塊6 —端與計(jì)算機(jī)8的多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)模塊連接，另一端與數(shù)據(jù)分析模塊10連接，所述數(shù)據(jù)分析模塊10分兩路，其中一路與波長(zhǎng)漂移量計(jì)模塊11連接，另一與 ODBC存儲(chǔ)器模塊12連接，所述波長(zhǎng)漂移量計(jì)模塊11分別與實(shí)時(shí)顯示波長(zhǎng)模塊19、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線系統(tǒng)模塊18、信息提示及預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)模塊17連接，所述ODBC存儲(chǔ)器模塊12分別與數(shù)據(jù)庫(kù)模塊13、數(shù)據(jù)處理器模塊14連接，所述數(shù)據(jù)處理器模塊14分別與歷史監(jiān)測(cè)曲線模塊16、生成監(jiān)測(cè)報(bào)告模塊15連接。在系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)了一個(gè)Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)MFC ODBC方法訪問(wèn)、操作和管理該數(shù)據(jù)庫(kù)，以這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)主要的應(yīng)用功能模塊包括網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)曲線顯示及預(yù)報(bào)預(yù)警。網(wǎng)絡(luò)連接模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議建立系統(tǒng)軟件與解調(diào)儀的網(wǎng)絡(luò)連接，為數(shù)據(jù)的采集提供方法。數(shù)據(jù)采集模塊在網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上從解調(diào)儀中讀取數(shù)據(jù)，并將所讀取的數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)以備數(shù)據(jù)分析使用。數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)所采集的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，去除異常數(shù)據(jù)，保留準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并提供系統(tǒng)工作狀態(tài)的分析與提示。數(shù)據(jù)顯示及生成監(jiān)測(cè)報(bào)告模塊將讀取的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)或曲線的形式顯示出來(lái)，或者將歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以監(jiān)測(cè)曲線和監(jiān)測(cè)報(bào)告的形式顯示出來(lái)，以便工程人員使用和分析。數(shù)據(jù)存取模塊以Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)MFC ODBC方法將所采集和分析過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行永久保存，同時(shí)在需要查看歷史數(shù)據(jù)時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)。一種監(jiān)測(cè)方法，按下述步驟進(jìn)行1)、光纖光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置配置嵌入式計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)配置標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口和10M以太網(wǎng)口 ；2)、以太網(wǎng)將被測(cè)量的光纖光柵多點(diǎn)傳感器反射回來(lái)的光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；3)、再通過(guò)內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出每一個(gè)光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)值；4)、計(jì)算機(jī)設(shè)備與光纖光柵多點(diǎn)傳感器之間通過(guò)以太網(wǎng)線連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)TCP/ IP協(xié)議從光纖光柵多點(diǎn)傳感器中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；5)、將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息以曲線的形式直觀地顯示出來(lái)；6)、以曲線方式顯示數(shù)據(jù)有兩種常用的形式，即實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線；
7)、實(shí)時(shí)曲線根據(jù)數(shù)據(jù)的采樣周期實(shí)時(shí)刷新顯示，準(zhǔn)確反映當(dāng)前數(shù)據(jù)的變化情況， 實(shí)時(shí)曲線常用于顯示有限時(shí)間域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)；8)、歷史數(shù)據(jù)需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)，它能夠反映過(guò)去某段時(shí)間域內(nèi)數(shù)據(jù)的變化情況；9)、多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議建立系統(tǒng)軟件與光纖光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置連接，為數(shù)據(jù)的采集提供方法；10)、數(shù)據(jù)采集模塊(6)在網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上從光纖光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置中讀取數(shù)據(jù)，并將所讀取的數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)以備數(shù)據(jù)分析使用；11)、數(shù)據(jù)分析模塊(10)對(duì)所采集的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，去除異常數(shù)據(jù)，保留準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并提供系統(tǒng)工作狀態(tài)的分析與提示；12)、數(shù)據(jù)顯示及生成報(bào)告模塊將讀取的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)或曲線的形式顯示出來(lái)，或者將歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以監(jiān)測(cè)曲線和監(jiān)測(cè)報(bào)告的形式顯示出來(lái)；13)、數(shù)據(jù)存取模塊(12)以Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)MFC ODBC方法將所采集和分析過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行永久保存，同時(shí)在需要查看歷史數(shù)據(jù)時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)。圖10所示為多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)軟件界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的曲線示意圖，界面左上角為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的光纖光柵中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)顯示，右上曲線為光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移值實(shí)時(shí)曲線，曲線為光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移值歷史監(jiān)測(cè)曲線。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的圖形化和曲線化， 可以快速、方便地對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)松散地層沉降變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)報(bào)松散地層沉降變形情況，在松散地層沉降嚴(yán)重時(shí)能進(jìn)行報(bào)警。圖11為光纖光柵下放及注漿工藝施工示意圖。1-下放光纖光柵；2-提注漿管、分離配重與注漿管；3-注漿至地表；4-注漿管； 5-配重；6-定滑輪；7-鋼絲繩；8-鋼絲繩滾筒；9-鉆孔光纖沉降儀植入巖層的過(guò)程采用正循環(huán)施工技術(shù)，全孔硬質(zhì)合金鉆進(jìn)方法，一個(gè)孔徑直接鉆到底。地表面設(shè)置一個(gè)支架和一個(gè)綱絲繩滾筒8，綱絲繩7 —端與綱絲繩滾筒8連接，綱絲繩7另一端穿過(guò)支架上連接的定滑輪6與配重5連接，綱絲繩7上連接有光纖光柵測(cè)試系統(tǒng)1，鉆孔9內(nèi)插入有注漿管4。光纖光柵的植入方法的順序步驟(1)先下注漿管路4，再下放光纖光柵測(cè)試系統(tǒng) 1 ； (2)先下光纖光柵測(cè)試系統(tǒng)，再下放注漿管路4 ； (3)注漿管4與光纖光柵測(cè)試系統(tǒng)1同時(shí)下放到孔底。施工方法及順序(1)開(kāi)孔采用Φ 174mm徑無(wú)芯鉆進(jìn)至5.0m，下入Φ 168mm護(hù)壁孔口管；(2)換用Φ 127mm徑無(wú)芯鉆進(jìn)至180m處，在鉆進(jìn)過(guò)程中注意孔壁的保護(hù)，避免孔壁長(zhǎng)期浸泡而出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，特別在穿過(guò)流沙層時(shí)，及時(shí)調(diào)整好泥漿性能；(3)終孔后反復(fù)進(jìn)行沖孔與護(hù)壁工作，盡可能的清除孔內(nèi)沉淀物，并且確?？妆诘耐暾?；(4)鉆孔完成后進(jìn)行清孔，清孔方法采用換漿清孔法，即用泥漿泵將新泥漿通過(guò)鉆桿壓人到孔底噴出，將鉆頭提高至孔底約30cm處，空鉆帶動(dòng)孔底沉渣，使其在孔內(nèi)環(huán)形上浮至孔口流人沉淀池，直至達(dá)到要求泥漿指標(biāo)成孔質(zhì)量應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)要求。注漿順序采用由下往上，邊提注漿管邊注漿直至充滿整個(gè)鉆孔。水泥砂漿配比為 水泥沙水=1 1 0. 65，水泥為32. 5R號(hào)普通硅酸鹽水泥，沙子選用粒徑在1. 25 2. 5mm之間的干凈河沙。水泥砂漿按照設(shè)計(jì)比例在現(xiàn)場(chǎng)人工攪拌，攪拌后的水泥砂漿通過(guò)泥漿泵施加一定的壓力輸送到注漿管進(jìn)行由下而上的封孔作業(yè)。光纖光柵與松散層之間的力學(xué)傳遞關(guān)系為光纖光柵一封裝材料(GFRP)—水泥砂漿一松散層，中間層介質(zhì)的厚度、彈性模量及泊松比影響著光纖光柵與松散層之間的應(yīng)變傳遞。松散層應(yīng)變、與光柵波長(zhǎng)漂移量△ λ ,之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系ε r = 0. 97656 Δ λΒ(1)上式表明，在光纖光柵傳感器與松散層完全接觸無(wú)相對(duì)滑動(dòng)的條件下，傳感器的波長(zhǎng)值每變化Ipm對(duì)應(yīng)松散層有0. 97656個(gè)微應(yīng)變變化量。面對(duì)我國(guó)重點(diǎn)能源基礎(chǔ)設(shè)施的安全健康監(jiān)測(cè)的重大需求，從滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全生產(chǎn)的需求出發(fā)，系統(tǒng)深入地開(kāi)展新一代光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵器件的基礎(chǔ)研究工作，研制適合于地層分層沉降的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光纖傳感儀，在解決長(zhǎng)距離光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題方面和新一代光纖傳感器關(guān)鍵器件方面有所突破，為華東地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用光纖光柵預(yù)警松散層的變形奠定基礎(chǔ)。當(dāng)寬帶光通過(guò)光纖傳輸時(shí)，寫入光柵的光纖反射波長(zhǎng)(λΒ)取決于Bragg光柵反射條件λΒ = 2nrffA，nrff為纖芯有效折射率，A為光纖光柵周期。應(yīng)變與溫度都能夠引起 λ ^變化，因此，測(cè)試系統(tǒng)是以識(shí)別波長(zhǎng)的改變(Δ λΒ)來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)變與溫度的變化。由于這樣深度的地層處于恒溫狀態(tài)，本發(fā)明應(yīng)用中未考慮溫度對(duì)光纖光柵的影響以及補(bǔ)償。光纖Bragg光柵分層沉降儀包括光纖Bragg光柵分層沉降傳感器、光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面處理系統(tǒng)。實(shí)施例1該技術(shù)在某煤礦進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)鉆孔將光纖光柵傳感器埋入110 170m的松散層中，對(duì)松散層的變形過(guò)程進(jìn)行了高精度測(cè)試實(shí)踐。工程實(shí)踐表明，光纖光柵作為應(yīng)變檢測(cè)使用安全可靠，取得了初步的成果。(1)鉆孔技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)在工業(yè)廣場(chǎng)主井、風(fēng)井之間，分別距主井水平距離129. Im和風(fēng)井水平距離88. 2m 的位置設(shè)置松散層沉降變形觀測(cè)鉆孔，做到一個(gè)鉆孔監(jiān)測(cè)兩個(gè)井筒。最下部光纖光柵傳感器(第38層)距地面距離為176. lm，考慮到會(huì)有一部分鉆屑落至鉆孔底部而影響光纖光柵下放至預(yù)定位置，并且為下放配重留有足夠空間，將鉆孔實(shí)際深度定為180m。由于檢測(cè)位置地質(zhì)條件復(fù)雜，為防止鉆孔塌孔在施工過(guò)程中必須采取必要的護(hù)孔措施，將鉆孔孔徑定為 127mm。要求鉆孔垂直度< 3%。。全孔采用硬質(zhì)合金鉆進(jìn)方法，一個(gè)孔徑直接鉆到底。(2)鉆孔施工鉆孔采用正循環(huán)施工技術(shù)。鉆孔施工設(shè)備為17m四角金屬鉆塔、TXB-1000A型巖心鉆機(jī)、NBB250/60泥漿泵和4135系列80馬力柴油機(jī)。設(shè)備安裝是保證順利施工的基礎(chǔ)工作，要求天輪、立軸中心、孔口中心三點(diǎn)在一條鉛垂線上，設(shè)備安裝必須穩(wěn)固、周正、水平。鉆具采用同心度較好的Φ70πιπι外平鉆桿連接，并帶加重鉆鋌以保持鉆具的垂直性。鉆具組合為Φ 127mm鉆頭+扶正器+Φ 105mm鉆鋌+扶正器+Φ50πιπι鉆桿+主動(dòng)鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表1，全孔沖洗液選擇為泥漿。表1鉆進(jìn)參數(shù)表
權(quán)利要求
1.一種松散地層的光纖光柵多點(diǎn)傳感裝置，其特征在于該裝置包括由光纖光柵傳感器陣列、光纖光柵網(wǎng)絡(luò)傳感分析儀、一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接組成。所述光纖光傳感器陣列(1)由6個(gè)光纖光柵傳感器依次串聯(lián)連接構(gòu)成1根線性陣列， 其每根線性陣列并聯(lián)連接后至少構(gòu)成三個(gè)陣列；所述光纖光柵分層沉降儀(2)內(nèi)置的寬帶光源(3)施加光源給光纖光柵傳感器(1)，光纖光柵傳感器(1)返回的光信號(hào)再通過(guò)耦合器(4)輸入給光電轉(zhuǎn)換器(5)，光電轉(zhuǎn)換器(5) 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入給數(shù)據(jù)采集模塊(6)，數(shù)據(jù)采集模塊(6)將數(shù)字信號(hào)輸入給波長(zhǎng)計(jì)算模塊(7)，波長(zhǎng)計(jì)算模塊(7)得出光柵傳感器的中心波長(zhǎng)輸入給計(jì)算機(jī)(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層沉降的光纖光柵多點(diǎn)傳感分層沉降儀裝置，其特征在于所述1根線性陣列的測(cè)試線路為雙回路，其中雙回路有2個(gè)接頭，系統(tǒng)共計(jì)有2XN個(gè)接頭， 即2XN根引出光纖通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層沉降的光纖光柵多點(diǎn)傳感分層沉降儀裝置，其特征在于所述光纖光柵傳感器為將光纖光柵嵌入玻璃纖維增強(qiáng)聚合物材料中，形成由光纖Bragg光柵和玻璃纖維增強(qiáng)聚合物組成直徑8mm、長(zhǎng)度220mm、端部擴(kuò)徑為16mm的圓柱形結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層沉降的光纖光柵多點(diǎn)傳感分層沉降儀裝置，其特征在于光纖光柵傳感器陣列(1)通過(guò)一個(gè)鉆孔植入地層深部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的地層沉降的光纖光柵多點(diǎn)傳感分層沉降儀裝置，其特征在于所述光纖光柵傳感器陣列植入鉆孔時(shí)，用水泥砂漿分段澆筑，形成層間分隔。
6.一種如權(quán)利要求1所述的裝置的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器模塊(6) —端與計(jì)算機(jī)(8)連接，另一端與數(shù)據(jù)分析模塊(10)連接，所述數(shù)據(jù)分析模塊(10) 分兩路，其中一路與波長(zhǎng)漂移量計(jì)模塊(11)連接，另一與ODBC存儲(chǔ)器模塊(12)連接，所述波長(zhǎng)漂移量計(jì)模塊(11)分別與實(shí)時(shí)顯示波長(zhǎng)模塊(19)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線系統(tǒng)模塊(18)、信息提示及預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)模塊(17)連接，所述ODBC存儲(chǔ)器模塊(12)分別與數(shù)據(jù)庫(kù)模塊(13)、 數(shù)據(jù)處理器模塊(14)連接，所述數(shù)據(jù)處理器模塊(14)分別與歷史監(jiān)測(cè)曲線模塊(16)、生成監(jiān)測(cè)報(bào)告模塊(15)連接。
7.一種如權(quán)利要求6所述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法，按下述步驟進(jìn)行1)、光纖光柵多點(diǎn)傳感分層沉降儀裝置配置嵌入式計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)配置標(biāo)準(zhǔn)的RS232 串行接口和IOM以太網(wǎng)口 ；2)、以太網(wǎng)將被測(cè)量的光纖光柵多點(diǎn)傳感器反射回來(lái)的光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；3)、再通過(guò)內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出每一個(gè)光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)值；4)、計(jì)算機(jī)設(shè)備與光纖光柵多點(diǎn)傳感器之間通過(guò)以太網(wǎng)線連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié)議從光纖光柵多點(diǎn)傳感器中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；5)、將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息以曲線的形式直觀地顯示出來(lái)，即實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線；6)、實(shí)時(shí)曲線根據(jù)數(shù)據(jù)的采樣周期實(shí)時(shí)刷新顯示，準(zhǔn)確反映當(dāng)前數(shù)據(jù)的變化情況，實(shí)時(shí)曲線常用于顯示有限時(shí)間域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)；7)、歷史數(shù)據(jù)需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)，它能夠反映過(guò)去某段時(shí)間域內(nèi)數(shù)據(jù)的變化情況；8)、多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議建立系統(tǒng)軟件與光纖光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)裝置連接，為數(shù)據(jù)的采集提供方法；9)、數(shù)據(jù)分析模塊(10)對(duì)所采集的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，去除異常數(shù)據(jù)，保留準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并提供系統(tǒng)工作狀態(tài)的分析與提示；10)、數(shù)據(jù)存取模塊(12)以MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)MFC0DBC方法將所采集和分析過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行永久保存，同時(shí)在需要查看歷史數(shù)據(jù)時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了觀測(cè)松散地層沉降的光纖光柵傳感分層沉降儀裝置及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)，以及光柵傳感器與植入方法。包括光柵傳感器及光柵傳感器陣列，光柵傳感器陣列通過(guò)光纖光柵解調(diào)器的寬帶光源和耦合器施加光源給光纖光柵傳感器，光柵傳感器返回的光信號(hào)再通過(guò)耦合器輸入給光纖光柵解調(diào)器，光纖光柵解調(diào)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，計(jì)算出每一個(gè)光柵傳感器的中心波長(zhǎng)值；監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)分別由波長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、時(shí)顯示波長(zhǎng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線、信息提示及預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)等模塊連接，數(shù)據(jù)分析另一路分別與存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)處理器模塊連接。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不怕惡劣環(huán)境、耐磨蝕、抗電磁干擾、安全可靠、集傳感與傳輸于一體，使用方便，廣泛用地層沉降。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102221332SQ20111008145
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者劉金瑄, 張廣文, 李毅, 楊建華, 柴敬, 王振平 申請(qǐng)人:西安科技大學(xué)