巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器，對光纖護套表面進行粗糙度處理，通過傳感光纖的噴砂顆粒表面與巖土體顆粒之間的咬合、嵌固以及摩擦作用，來實現(xiàn)傳感光纖與巖土介質(zhì)之間的界面相容；首先，要確定不同地層巖土介質(zhì)粗糙度值，然后根據(jù)待埋設(shè)地層的粗糙度特征值，對光纖護套作噴砂或鋼絲磨刷處理；噴砂或鋼絲磨刷后，需要對其進行相容性拉拔試驗，用以檢測表面噴砂后的光纖護套與巖土介質(zhì)的咬合和嵌固效果。具有粗糙度特征值的傳感光纖表面與巖土體顆粒之間具有較強的咬合與嵌固作用，提高了光纖與巖土介質(zhì)之間的界面相容性；以滿足的實際工程需要。
【專利說明】巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地質(zhì)及巖土工程監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及光纖傳感技術(shù)，具體是一種巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器方法。

二、【背景技術(shù)】
[0002]我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重并受其威脅人口最多的國家之一。目前科學(xué)的發(fā)展水平仍無法充分解釋與預(yù)測各類地質(zhì)災(zāi)害孕育、發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，因此，對存在危險預(yù)兆的地質(zhì)環(huán)境或人類工程活動所涉及到的地質(zhì)體進行監(jiān)測，仍是目前地質(zhì)及巖土工程防災(zāi)減災(zāi)的主要方法之一。分布式光纖應(yīng)變傳感是近年來發(fā)展起來的一種先進技術(shù)，具體而言，就是在待測介質(zhì)內(nèi)部或表面布設(shè)線狀分布的傳感光纖，形成一個連續(xù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過對監(jiān)測對象變形的實時監(jiān)測，獲得光纖沿線監(jiān)測對象的變形場分布。在建筑、橋梁等人造結(jié)構(gòu)物監(jiān)測領(lǐng)域，分布式光纖應(yīng)變傳感可以獲得較精確的定量監(jiān)測值，因此被廣泛應(yīng)用；目前地質(zhì)及巖土工程領(lǐng)域則基本上移植了既有的分布式光纖監(jiān)測方法及工藝。然而，與鋼材或混凝土等均勻、致密材質(zhì)的人工建材不同，巖土介質(zhì)是多孔、多相的復(fù)雜體系，具有顯著的離散性與不均勻性，埋置在巖土介質(zhì)內(nèi)部時，傳感光纖與巖土介質(zhì)的界面往往存在無法充分接觸的相容性缺陷，這導(dǎo)致傳感光纖的局部變形測試值往往難以反映出巖土體的實際變形量，因此，現(xiàn)階段尚無法對地質(zhì)及巖土工程分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)精準(zhǔn)的定量分析，而只能采用簡單的定性趨勢分析或異常預(yù)警為主?？梢姡F(xiàn)實中急需一種與巖土介質(zhì)界面相容的應(yīng)變傳感光纖，以提高現(xiàn)場分布式監(jiān)測數(shù)據(jù)的定量化分析水平，滿足地質(zhì)及巖土工程分布式監(jiān)測的實際工程需要。

三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是，針對現(xiàn)有傳感光纖與巖土介質(zhì)之間接觸界面無法充分相容的問題，本發(fā)明的目的在于:提出一種與巖土體界面充分相容的分布式光纖應(yīng)變傳感器及其設(shè)置方法。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器，其特征是:通過對光纖護套表面的粗糙度處理，使分布式光纖應(yīng)變傳感器與巖土介質(zhì)接觸面具有界面相容性。
[0005]該方法實現(xiàn)的機理主要是對光纖護套表面進行粗糙度處理，通過噴砂顆粒護套或被鋼絲磨刷的護套表面與巖土體顆粒之間的咬合、嵌固以及摩擦作用，來實現(xiàn)傳感光纖與巖土介質(zhì)之間的界面相容性:首先，確定待監(jiān)測的不同地層內(nèi)巖土介質(zhì)粗糙度特征值，然后根據(jù)所測定的光纖所埋設(shè)地層的粗糙度特征值，對光纖護套作噴砂或鋼絲磨刷處理；表面噴砂或磨刷后，需要對其進行相容性拉拔試驗，以檢測光纖表面噴砂或磨刷后護套與巖土介質(zhì)的咬合及嵌固效果；在不同粗糙度的光纖護套熔接時，為保證過渡土層與光纖護套的界面相容性，要在光纖護套熔接處還采用具有中間粗糙度的護套包裹。
[0006]引入了地層材料(即巖土介質(zhì))粗糙度特征值的概念，將地層材料(即巖土介質(zhì))所特有的界面粗糙程度用粗糙度特征值定量化判定，以此作為對光纖護套進行準(zhǔn)確的粗糙化處理的標(biāo)記。光纖護套與地層材料(即巖土介質(zhì))的摩擦力愈大則傳感效果更好。
[0007]采用了噴砂處理，噴砂法能夠根據(jù)所給定的粗糙度特征值準(zhǔn)確地進行材料表面的粗糙化處理，可以方便地得到與不同地層的粗糙程度相適應(yīng)的光纖護套，有助于實現(xiàn)光纖護套表面與巖土介質(zhì)接觸界面的相容性。鋼絲磨刷表面亦可。相對于細(xì)粒土，亦可采用鋼絲拉毛方法處理。
[0008]使用光纖拉拔試驗儀在室內(nèi)對經(jīng)噴砂或磨刷處理的光纖護套和未經(jīng)處理的光纖護套進行相容性拉拔試驗，以此來驗證光纖護套表面的噴砂顆粒與巖土顆粒之間的咬合與嵌固作用以及摩擦作用有所提高，即經(jīng)噴砂處理的光纖具有更好的界面相容性。
[0009]將光纖熔接處護套的過渡粗糙度考慮在內(nèi)，采用中間粗糙度的護套將熔接處包裹，這樣不僅對光纖熔接處起到保護作用，同時還能較好地解決不同粗糙度地層之間過渡部分與光纖護套接觸界面的相容性問題。
[0010]上述確定地層粗糙度特征值的方法有兩種:第一種是通過現(xiàn)場鉆孔取樣，直接選取某一代表性巖土體，用工具切開，選擇裸露出的任意一個平面，然后直接用合適的粗糙度儀對其進行測量，獲取粗糙度值；第二種是根據(jù)工程勘察大綱和相關(guān)地質(zhì)水文資料中記錄的土的類型、其孔隙比和含水率、土顆粒的大小、以及土的級配等參數(shù)，以及已有的粗糙度值的情況進行經(jīng)驗判斷，得到大致的粗糙度特征值。這里得到的粗糙度特征值可以用來代表某一土層巖土介質(zhì)粗糙度值的平均值。
[0011]具有粗糙度特征值的傳感光纖表面與巖土體顆粒之間具有較強的咬合與嵌固作用，提高了光纖與巖土介質(zhì)之間的界面相容性；使用前，通過相容性拉拔試驗，確保該傳感光纖達到設(shè)計所規(guī)定的界面相容性，即達到所要求的拉拔剛度；此外，采用具有中間粗糙度的護套包裹不同土層之間的光纖熔接點，來保證過渡土層與傳感光纖之間的界面相容性。
[0012]本發(fā)明的有益效果包括:本發(fā)明解決了地質(zhì)及巖土工程分布式監(jiān)測中傳感光纖與多孔離散的巖土介質(zhì)之間界面相容性較差的現(xiàn)狀，對提高現(xiàn)場分布式監(jiān)測數(shù)據(jù)的定量化分析水平，以滿足的實際工程需要。I)解決了分布式傳感光纖與多孔離散的巖土介質(zhì)之間界面相容性較差的問題；2)提高了傳感光纖在待測巖土介質(zhì)中的變形協(xié)調(diào)性；3)提高了傳感光纖監(jiān)測的靈敏度，有助于光纖變形的定量化與精細(xì)化分析。

四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的思路流程圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的光纖護套表面粗糙度設(shè)計示意圖；
[0015]圖3 (a)是相容性拉拔試驗裝置簡圖；
[0016]圖3 (b)是某一組相容性拉拔試驗測試結(jié)果；
[0017]圖4是兩端不同粗糙度傳感光纖連接的示意圖；
[0018]圖5是本發(fā)明的分布式傳感光纖工作原理圖；
[0019]圖6是本發(fā)明的一個地質(zhì)工程應(yīng)用實例，但本發(fā)明的應(yīng)用不限于此，其中:
[0020](a)是地裂縫監(jiān)測示意圖；(a)中左圖為示意圖，右圖是左圖的截面圖。
[0021](b)是某一時刻噴砂光纖和普通光纖沿線的應(yīng)變量分布曲線；
[0022]圖7是測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性曲線圖。五、具體實施方案
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明做詳細(xì)闡述，但本系統(tǒng)應(yīng)用范圍不限于此。
[0024]根據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，確定不同地層的內(nèi)部特征粗糙度特征值；對傳感光纖護套表面進行噴砂處理，得到具有不同表面粗糙度特征值的各段傳感光纖；對傳感光纖抽樣進行拉拔試驗，檢驗傳感光纖與待測巖土介質(zhì)之間的相容性；檢驗滿足后，在監(jiān)測現(xiàn)場，將具有不同表面粗糙度特征值的傳感光纖分別埋入具有對應(yīng)粗糙度特征值的地層內(nèi)，不同表面粗糙度的各段傳感光纖之間通過熔接相連，并在熔接套管外使用具有中間表面粗糙度的護套包裹保護，從而充分滿足分布式傳感光纖與監(jiān)測現(xiàn)場巖土介質(zhì)之間的界面相容性。
[0025]此處的地層粗糙程度主要是指在自然狀態(tài)下，局部土體某一平面的平均平整度。這里有兩種方法進行判斷:第一種是通過現(xiàn)場鉆孔取樣，直接選取某一部分土體切開，并裸露出某一平面，然后直接選用合適的粗糙度儀對其進行測量，獲取粗糙度值；第二種是根據(jù)土的類型、其孔隙比和含水率、土顆粒的大小、以及土的級配等參數(shù)，以及已有的粗糙度特征值的情況進行經(jīng)驗判斷，得到大概的粗糙度特征值。而這些參數(shù)指標(biāo)都可以通過對現(xiàn)場鉆孔取樣進行的室內(nèi)試驗直接得到，或者從已有的現(xiàn)場勘察報告中查詢或分析得出。
[0026]在確定不同土層的地層粗糙度特征值后，根據(jù)其具體的大小，對光纖護套進行噴砂處理。噴砂機的選擇可根據(jù)所選噴砂工藝的要求、噴砂材料的不同和成本的控制要求來確定。對于噴砂材料的選擇需要根據(jù)不同土層巖土材料的硬度來給予確定，為了盡可能較好地模擬出巖土介質(zhì)對光纖護套的摩擦破壞影響，應(yīng)該選擇與巖土材料硬度相接近的噴砂顆粒，而可選擇的噴砂顆粒有玻璃砂、鋼砂、硅塑料砂、陶瓷砂、棕剛玉砂等，具體根據(jù)所監(jiān)測土層的硬度與彈性模量，選擇相容性較好的噴砂顆粒。
[0027]在對光纖護套進行噴砂處理后，就需要對光纖護套與土體的相容性進行驗證性試驗，即相容性拉拔試驗，以觀察巖土介質(zhì)與光纖護套界面的相容性是否有所提高。噴砂后的光纖護套主要是依靠光纖護套表面噴砂顆粒與巖土體顆粒之間的咬合與嵌固作用以及摩擦作用，來實現(xiàn)傳感光纖與巖土介質(zhì)之間的界面相容性的。所以，相容性拉拔試驗主要采用同種性質(zhì)的巖土介質(zhì)和兩種不同護套的同種光纖材料來進行對照試驗。在同種巖土介質(zhì)中，傳感光纖被拔出的拉拔力越大，說明界面相容性越好，傳感光纖的護套與巖土介質(zhì)越匹配。現(xiàn)場監(jiān)測所采用的傳感器光纖需要滿足最小拉拔力值，即滿足最低的相容性要求。
[0028]不同粗糙度的光纖在熔接后，不能直接埋入巖土介質(zhì)中，要考慮過渡土層對熔接部分護套的影響，因此需要在熔接緊套管外用具有中間粗糙度的護套包裹，并且包裹材料要與光纖護套的材料相同，以保證光纖在過度土層中仍保持較好的界面相容性。
[0029]結(jié)合圖1，該發(fā)明方法主要是通過對光纖護套表面的噴砂處理，使其與巖土介質(zhì)擁有更好的相容性，來提高分布式光纖監(jiān)測的靈敏度，實現(xiàn)定量分析。首先，要對光纖所埋設(shè)的地層進行粗糙程度的確定，為了方便對粗糙程度的判斷，這里用粗糙度特征值來進行定量的判斷。其次，確定不同地層的粗糙度特征值后，對光纖護套進行相應(yīng)的噴砂處理，以滿足埋設(shè)地層的相容性條件。采用噴砂專門工藝，根據(jù)設(shè)定的粗糙度值對光纖護套表面進行噴砂粗化處理后，可以得到符合粗糙度要求的相容性光纖護套。然后，通過相容性拉拔試驗，對處理過的分布式光纖與巖土介質(zhì)的相容性進行試驗驗證，監(jiān)測現(xiàn)場所使用的應(yīng)變傳感光纖需要達到所規(guī)定的最小拉拔力，以滿足最低的相容性條件。接著，對多段光纖進行熔接，使得其成為連續(xù)的整體。在光纖熔接時，為了保證在光纖熔接處也具有相容性，需要采用中間過渡粗糙度的護套保護熔接部位，并滿足巖土介質(zhì)過渡部分的相容性。最后，將傳感光纖通過通信光纜接入分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測儀，如布里淵光時域分析儀等。
[0030]結(jié)合圖2，以粗粒土和細(xì)粒土為例，未經(jīng)過噴砂處理的傳感光纖表面與土顆粒之間的接觸不夠充分，光滑的光纖護套表面與土顆粒間咬合作用與摩擦作用較差，傳感光纖監(jiān)測的靈敏度和準(zhǔn)確度較低。而對于噴砂處理后的傳感光纖，由于噴砂顆粒嵌入光纖護套表面，使得原來光滑的光纖表面變得凹凸不平，增加了土顆粒與光纖表面的接觸面積，提高了光纖護套與土顆粒間的咬合作用和摩擦作用，同時也提高了傳感光纖監(jiān)測的靈敏度和準(zhǔn)確性。
[0031]結(jié)合圖3(a)，該圖為光纖拉拔試驗裝置簡圖，其原理主要是通過添加的砝碼的自身重力對埋入圓柱體土樣的光纖進行豎向拉拔，從而對光纖的拉拔性能做出相應(yīng)評價。
[0032]結(jié)合圖3 (b)，該圖為一組光纖拉拔試驗的數(shù)據(jù)，從圖中曲線可以看出，經(jīng)噴砂處理的光纖和未經(jīng)處理的光纖的拉力-位移曲線趨勢相似，都是先呈線性增加，到達峰值后急劇下降，最后趨于穩(wěn)定。但是經(jīng)噴砂處理的光纖的直線段斜率匕(即抗拔剛度)要大于普通傳感光纖直線段的斜率k2 (即抗拔剛度)；同時，噴砂處理后的傳感光纖拉拔力峰值也要大于普通傳感光纖的拉拔力峰值，這表明:經(jīng)過噴砂處理的傳感光纖界面相容性較強，光纖護套表面的砂粒與土顆粒之間產(chǎn)生了較強的摩擦與咬合作用，具有更強的界面相容性，因此，產(chǎn)生相同拉拔位移時所需的拉拔力更大。
[0033]結(jié)合圖4，該圖為不同粗糙度傳感光纖連接處的示意圖。該圖分為左右兩部分:左邊為近水平向埋設(shè)光纖時，不同粗糙度傳感光纖連接處的示意圖；右邊為近豎直向埋設(shè)光纖時，不同粗糙度傳感光纖連接處的示意圖。圖中在熔接處，中間粗糙度的護套不僅保護了光纖的連接部分，同時也較好地擬合了過渡土層的粗糙度變化問題，提高了傳感光纖整體的相容性。
[0034]結(jié)合圖5，該圖為分布式傳感光纖的工作原理圖。在不同的巖土介質(zhì)中，埋入對應(yīng)粗糙度的傳感光纖，通過熔接技術(shù)將多段光纖連接，并用中間粗糙度護套進行保護。傳感光纖兩端接入分布式光纖解調(diào)儀，通過布里淵散射光譜或者布里淵光時域分析技術(shù)，對光纖布里淵信號進行時域或頻域分析后得到各處巖土介質(zhì)內(nèi)的變形分布。
[0035]結(jié)合圖6(a)，該實例圖為利用分布式光纖應(yīng)變傳感器進行地裂縫監(jiān)測。由局部放大的剖面圖可以看出:傳感光纖埋設(shè)于土層I中，此時，地裂縫張裂處已延伸至傳感光纖以下，到達土層2中，其變形也已對傳感光纖產(chǎn)生了較為明顯的影響。
[0036]結(jié)合圖6 (b)，某一組拉拔試驗數(shù)據(jù)注:圖中匕和k 2分別表示噴砂光纖和普通光纖拉拔試驗曲線線性部分的斜率。該圖為某一時刻噴砂傳感光纖和普通傳感光纖的監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖可以看出，在圖中里程48m處(即出現(xiàn)地裂縫位置)，光纖應(yīng)變測試值出現(xiàn)了顯著的應(yīng)變增量。其中，噴砂光纖的應(yīng)變增量峰值達到800 μ ε，普通光纖的應(yīng)變增量峰值則為300 μ ε。兩種不同光纖峰值存在差異的原因在于:普通光纖表面相對比較光滑，在地裂縫出現(xiàn)且逐步張開的過程中，普通光纖與地裂縫兩側(cè)巖土介質(zhì)間產(chǎn)生了相對滑移；而噴砂光纖表面與巖土介質(zhì)間存在較強的相互咬合與摩擦作用，使得地裂縫開展過程中相對滑移量很小，比較真實地反映出地裂縫的實際張開程度。由此可見，采用噴砂傳感光纖與待測巖土介質(zhì)間具有良好的界面相容性，能夠獲得相對準(zhǔn)確的巖土介質(zhì)變形測量結(jié)果，對于較小的巖土體變形具有更強的可辨識性。
[0037]結(jié)合圖7，該圖為測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性曲線圖，其中橫坐標(biāo)為傳感光纖峰值處的應(yīng)變，縱坐標(biāo)為作為參照的拉繩式引伸計的平均應(yīng)變，圖中直線為散點的擬合直線，其斜率為0.92。該圖是一種標(biāo)定方法，目的是用來說明光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)有成熟技術(shù)測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的差距。由圖可以看出，光纖測量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)與引伸計直接測到的變形數(shù)據(jù)雖有誤差，但比較接近，因此光纖測量數(shù)據(jù)的可信度較高，可作為監(jiān)測指標(biāo)。
【權(quán)利要求】
1.巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器方法，其特征是:通過對光纖護套的表面粗糙度處理，使分布式光纖應(yīng)變傳感器與巖土介質(zhì)接觸面具有界面相容性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器，其特征是對光纖護套表面進行粗糙度處理，通過傳感光纖的噴砂顆粒表面與巖土體顆粒之間的咬合、嵌固以及摩擦作用，來實現(xiàn)傳感光纖與巖土介質(zhì)之間的界面相容；首先，要確定不同地層巖土介質(zhì)粗糙度值，然后根據(jù)待埋設(shè)地層的粗糙度特征值，對光纖護套作噴砂或鋼絲磨刷處理；噴砂或鋼絲磨刷后，需要對其進行相容性拉拔試驗，用以檢測表面噴砂后的光纖護套與巖土介質(zhì)的咬合和嵌固效果。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器，其特征是該噴砂后傳感光纖的相容性主要是依靠粗糙的光纖護套表面與巖土體顆粒之間的咬合與嵌固作用來實現(xiàn)；在不同表面粗糙度的光纖護套熔接時，為了保證過渡土層與光纖護套的界面相容性，要在光纖護套熔接處采用具有中間粗糙度的護套包裹。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器，其特征是引入了地層材料粗糙度特征值的概念，將地層材料所特有的界面粗糙程度用粗糙度特征值定量化判定，以此作為對光纖護套進行準(zhǔn)確的粗糙化處理的標(biāo)記。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖土介質(zhì)界面相容型分布式光纖應(yīng)變傳感器，其特征是確定地層粗糙度特征值的方法，第一種是通過現(xiàn)場鉆孔取樣，直接選取某一代表性巖土體，用工具切開，選擇裸露出的任意一個平面，然后直接用合適的粗糙度儀對其進行測量，獲取粗糙度值；第二種是根據(jù)工程勘察大綱和相關(guān)地質(zhì)水文資料中記錄的土的類型、其孔隙比和含水率、土顆粒的大小、以及土的級配等參數(shù)，以及已有的粗糙度特征值的情況進行經(jīng)驗判斷，得到大致的粗糙度特征值。
【文檔編號】G01B11/16GK104501734SQ201410817582
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】張巍, 唐心煜, 施斌, 周發(fā), 王小敏, 周遠航, 孫遜 申請人:南京大學(xué)