申请/专利权人：山东大学;长江地球物理探测(武汉)有限公司

申请日：2018-01-19

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN108362318B

主分类号：G01D5/38

分类号：G01D5/38;G01B11/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2018.08.28#实质审查的生效;2018.08.03#公开

摘要：本发明公开了一种光纤多裂缝监测系统及方法，包括裂缝传感元件、光纤、外壳、连接器、光纤环形器、扫描激光器和光谱信号解调器，其中，所述外壳内设置有多个连接器，连接器通过光纤连接裂缝传感元件，光纤通过光纤环形器连接扫描激光器和光谱信号解调器，连接器固定在裂缝两端或易出现裂缝部位，连接器包括弹性体，所述弹性体随裂缝出现或生长发生弹性形变，带动光纤拉伸，产生的应变使得裂缝传感元件光谱展宽并向长波长方向漂移，光谱信号解调器接收后向反射光并进行解调，实现对多裂缝的同时监测。

主权项：1.一种光纤多裂缝监测系统，其特征是：包括多裂缝监测传感器、光纤环形器、扫描激光器和光谱信号解调器，所述多裂缝监测传感器包括裂缝传感元件、光纤、外壳、连接器，其中，所述外壳内设置有多个连接器，连接器通过光纤连接裂缝传感元件，光纤通过光纤环形器连接扫描激光器和光谱信号解调器；所述连接器包括连接器卡件和连接器主体；连接器主体为弹性体，设置于外壳中心位置；所述外壳为硬质管状结构，外壳中心开孔，在固定连接器卡件的部分有四角飞镖形凹槽，与连接器卡件以楔子固连，保证连接器卡件及光纤只沿着轴向移动，防止其发生其他方向的滑动；连接器卡件为硬质材料，通过粘接方式固定在外壳内部，用于固定住光纤；连接器卡件包括卡件，所述卡件设置于弹性体两侧，且固定在外壳内部，固定住光纤；连接器中部留出的空间松弛地放置足够长度的光纤，松弛程度与弹性体的拉伸长度相配合，以决定所述多裂缝监测传感器的量程；所选扫描激光器为可调谐F-P激光器，所述可调谐F-P激光器连接至激光调制器，将可调谐F-P激光器的光信号调制成脉冲信号，经由光纤环形器进入光纤，裂缝传感元件的后向反射光经由光纤环形器从另一路进入FP腔，FP腔受到锯齿波的激励在每个周期内逐点扫描反射光，得到波长对应光强度的裂缝传感元件光谱；将多裂缝监测传感器安装在待监测物体表面，连接器主体固定在裂缝两端或易出现裂缝部位，当裂缝出现或生长，连接器主体随之发生弹性形变，每个连接器的绝对位移，均为上一个连接器的绝对位移与该连接器的相对位移之和，与连接器连接的光纤受到拉伸，裂缝传感元件产生轴向应变，导致裂缝传感元件光谱展宽并且向长波长方向漂移，通过光谱信号解调器得到的光谱信息，监测出裂缝的状态并定位，通过建立裂缝传感元件光宽度与裂缝尺寸之间的关系，实现多裂缝的同时监测；裂缝传感元件为CFBG，即栅格周期线性变化的宽光谱光纤光栅，并且CFBG的材质为聚合物光纤。

全文数据：一种光纤多裂缝监测系统及方法技术领域[0001]本发明涉及一种光纤多裂缝监测系统及方法。背景技术[0002]裂缝是判断岩体稳定性的重要指标，因此实时监测岩体裂缝萌生、发展的过程非常重要。传统的电磁式测量方法如电感式、电容式裂缝传感器，其抗干扰能力差、防水防潮性能差，容易腐蚀;机械式测量方法如霍尔式裂缝传感器，其精度低、速度慢，不便于在线实时监测;激光测量方法受到光的直线传播这一条件限制，仅能测量表面的裂缝。光纤传感器具有体积小、重量轻、精度高、使用寿命长、抗电磁干扰能力强、防水防潮、本征安全等优点，为岩石裂缝长期实时监测提供了可行途径。因此，研制光纤裂缝传感器具有重要的意义和工程应用价值。但目前的光纤裂缝传感器体积大、精度低，仅能实现单点测量，不能很好地满足实际工程的需要。[0003]在大型工程监测中，通常需要布置多个光纤光栅裂缝传感器，工作量大，且安装困难。发明内容[0004]本发明为了解决上述问题，提出了一种光纤多裂缝监测系统及方法，本发明测量精度高，体积小，能够实现多个裂缝的同时测量，且便于安装。[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：[0006]—种光纤多裂缝监测系统，包括裂缝传感元件、光纤、外壳、连接器、光纤环形器、扫描激光器和光谱信号解调器，其中，所述外壳内设置有多个连接器，连接器通过光纤连接裂缝传感元件，光纤通过光纤环形器连接扫描激光器和光谱信号解调器，连接器固定在裂缝两端或易出现裂缝部位，连接器包括弹性体，所述弹性体随裂缝出现或生长发生弹性形变，带动光纤拉伸，产生的应变使得裂缝传感元件光谱展宽并向长波长方向漂移，光谱信号解调器接收后向反射光并进行解调，实现对多裂缝的同时监测。[0007]进一步的，所述连接器包括壳体、连接器卡件和连接器主体，壳体为硬质环装结构，中心开孔，壳体上设置有凹槽，与连接器卡件固连，保证连接器卡件及光纤只沿着轴向移动，防止其发生其他方向的滑动，连接器主体为弹性体设置于壳体中心位置。[0008]更进一步的，连接器卡件部分包括卡件，所述卡件设置于弹性体两侧，且固定在外壳内部，固定住光纤，连接器卡件部分设有空隙以放置足够长度的光纤，松弛程度与弹性体的拉伸长度相配合，以决定多裂缝传感器的量程。[0009]所述连接器卡件为四角飞镖形，凹槽与其形状相配合。[0010]进一步的，所述裂缝传感元件为CFBG，即栅格周期线性变化的宽光谱光纤光栅，并且CFBG的材质为聚合物光纤。[0011]优选的，光纤为聚合物光纤，聚合物选用PVC等材质。[0012]所选激光器为可调谐F-P激光器，所述激光器连接至激光调制器，将F-P光源的光信号调制成脉冲信号。[0013]更进一步的，所述宽带光源经由光纤环形器进入传感光纤，CTOG的后向反射光经由光纤环形器从另一路进入FP腔，FP腔受到锯齿波的激励在每个周期内逐点扫描反射光，得到波长对应光强度的CFBG光谱。[0014]进一步的，所述外壳为管状结构，与连接器连接部位设置有凹槽，以固定连接器。[0015]基于上述系统的工作方法，将光纤安装在待监测物体表面，连接器主体固定在裂缝两端或易出现裂缝部位，当裂缝出现或生长，连接器主体随之发生弹性形变，每个连接器的绝对位移，均为上一个连接器的绝对位移与该连接器的相对位移之和，与连接器连接的光纤受到拉伸，裂缝传感元件产生轴向应变，导致裂缝传感元件光谱展宽并且向长波长方向漂移，通过光谱信号解调仪得到的光谱信息，监测出裂缝的状态并定位，通过建立裂缝传感元件光宽度与裂缝尺寸之间的关系，实现多裂缝的同时监测。[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果为：[0017]1、本发明从光纤光栅裂缝传感器的传感原理、结构设计、封装技术三个方面，进一步提高裂缝传感器的测量精度，减小体积，并实现利用一支传感器实现多个裂缝的测量；[0018]2、本发明研制的新型光纤多裂缝监测系统在大型工程如堤坝等长期监测中具有一定适用性，采用多个CFBG共用一个光源和解调系统的方案，使得传感与传输集为一体，实现远距离测量和监控；[0019]3、本发明能够实现多点、大范围测量，有效扩大了传感器量程，提高了测量精度；[0020]4、本发明实现同一直线上多个裂缝的监测，提高效率，同时成本费用降低，有很好的实用价值；[0021]5、本发明克服了多个传感器布置在同一直线上的困难，实现便捷式安装，减少工作量。附图说明[0022]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。[0023]图1为本发明优选实例中新型多裂缝监测系统硬件结构图；[0024]图2为本发明优选实例中连接器的结构图；[0025]图3为本发明优选实例中连接器外壳与连接器卡件固连部分的侧视图。[0026]其中，1、CFBG，2、外壳，3、连接器，4、聚合物光纤，5、连接器主体，6、连接器卡件。具体实施方式：[0027]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。[0028]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。[0029]需^注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含，，和或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和或它们的组合。[0030]在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。[0031]本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。[0032]一种光纤多裂缝监测系统主要由CFBG1、聚合物光纤4、外壳2、连接器3、光纤环形器、激光调制器、F-P扫描激光器、光谱信号解调器构成。将传感光纤布置在大型工程表面，其中连接器3横跨裂缝侧，当裂缝大小发生变化时，连接器主体5发生弹性形变，带动连接器3的外壳2和卡件产生位移，从而带动聚合物光纤4拉伸。产生的应变使得CFBG1光谱展宽，后向散射光通过光谱信号解调器后得到光谱信号，可以通过光谱分析出裂缝的状态，从而实现对多裂缝的监测。[0033]裂缝传感元件为CFBG1，即栅格周期线性变化的宽光谱光纤光栅，并且CFBG1的材质为聚合物光纤4。[0034]信号传输光纤为聚合物光纤4,聚合物选用PVC等材质。[0035]激光器为可调谐F-P激光器。所述激光器连接至激光调制器，将F-P光源的光信号调制成脉冲信号，选用电压调制，调制速度为lKHz。[0036]外壳2是直径为管状结构，与连接器3连接部位在四个方向上刻出凹槽，用楔子使连接器3与外壳2固定。[0037]连接器3由连接器外壳、连接器卡件6和连接器主体5构成。[0038]连接器外壳为硬质环装结构，中心开孔，在固定连接器卡件6部分为四角飞镖形凹槽，与连接器卡件6以楔子固连，保证连接器卡件6及聚合物光纤4只沿着轴向移动，防止其发生其他方向的滑动。连接器卡件6为硬质材料，通过粘接方式固定在外壳2内部，负责固定住聚合物光纤4。连接器主体5为弹性材料，中部留出的空间松弛地放置足够长度的聚合物光纤4,松弛程度与弹性体的拉伸长度相当，决定了多裂缝传感器的量程。[0039]光纤环形器作为传输与传感系统的连接器。[0040]光谱信号解调器的工作原理是：宽带光源经由环形器进入传感光纤，CFBG1的后向反射光经由环形器从另一路进入FP腔，FP腔受到锯齿波的激励在每个周期内逐点扫描反射光，得到波长对应光强度的CFBG1光谱，通过分析该光谱信号就可得到CFBG1所受应变，由此监测到裂缝的状态。[0041]将聚合物光纤4安装在大型工程表面，其中连接器主体5固定在裂缝两端或易出现裂缝部位，当裂缝出现或生长，连接器主体5随之发生弹性形变，连带着连接器其他部件位移，每个连接器单元的绝对位移，均为上一个连接器的绝对位移与该连接器的相对位移之和。同时与连接器卡件6粘接的聚合物光纤4受到拉伸，进而CFBG1产生轴向应变，导致CFBG1光谱展宽并且向长波长方向漂移。而通过光谱信号解调仪得到的光谱信息，就可以监测出裂缝的状态并定位。其信号解调方法为光谱解调，通过建立CFBG1光宽度与裂缝尺寸之间的关系，实现多裂缝的同时监测。[0042]当然，建立CFBG1光宽度与裂缝尺寸之间的关系可以采用现有方法。[0043]图1给出了实施例所采用的一种光纤多裂缝传感系统结构图。为了便于说明，仅展示了与本发明实施例相关的部分，详述如下：[0044]在本实施例中，一种光纤多裂缝传感系统包含CFBG1、聚合物光纤4、外壳2、连接器、光纤环形器、激光调制器、F-P扫描激光器、光谱信号解调器。[0045]裂缝传感元件为CFBG1，即栅格周期线性变化的宽光谱光纤光栅，并且CFBG1的材质为聚合物光纤4。信号传输光纤为聚合物光纤4,聚合物选用PVC等材质。[0046]如图2所示，连接器由连接器外壳、连接器卡件6和连接器主体5构成。连接器外壳为硬质环装结构，中心开孔。如图3所示，连接器外壳在固定连接器卡件6部分为四角飞镖形凹槽，与连接器卡件6以楔子固连，保证连接器卡件6及聚合物光纤4只沿着轴向移动，防止其发生其他方向的滑动。连接器卡件6为硬质材料，通过粘接方式固定在外壳2内部，负责固定住聚合物光纤4。连接器主体5为弹性材料，中部留出的空间松弛地放置足够长度的聚合物光纤4,松弛程度与弹性体的拉伸长度相当，决定了多裂缝传感器的量程。[0047]光谱信号解调器的工作原理是：宽带光源经由环形器进入传感光纤，CFBG1的后向反射光经由环形器从另一路进入FP腔，FP腔受到锯齿波的激励在每个周期内逐点扫描反射光，得到波长对应光强度的CFBG1光谱，通过分析该光谱信号就可得到CFBG1所受应变，由此监测到裂缝的状态。[0048]将聚合物光纤4安装在大型工程表面，其中连接器主体5固定在裂缝两端或易出现裂缝部位，当裂缝出现或生长，连接器主体5随之发生弹性形变，连带着连接器其他部件位移，每个连接器单元的绝对位移，均为上一个连接器的绝对位移与该连接器的相对位移之和。同时与连接器卡件6粘接的聚合物光纤4受到拉伸，进而CFBG1产生轴向应变，导致CFBG1光谱展宽并且向长波长方向漂移。而通过光谱信号解调仪得到的光谱信息，就可以监测出裂缝的状态并定位。[0049]上述多裂缝监测系统，由安装在远程计算机的数据处理模块对监测过程进行实时控制，并对得到的光谱信息进行计算和分析，给出报警提示。[0050]以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。[0051]上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

权利要求：1.一种光纤多裂缝监测系统，其特征是:包括裂缝传感元件、光纤、外壳、连接器、光纤环形器、扫描激光器和光谱信号解调器，其中，所述外壳内设置有多个连接器，连接器通过光纤连接裂缝传感元件，光纤通过光纤环形器连接扫描激光器和光谱信号解调器，连接器固定在裂缝两端或易出现裂缝部位，连接器包括弹性体，所述弹性体随裂缝出现或生长发生弹性形变，带动光纤拉伸，产生的应变使得裂缝传感元件光谱展宽并向长波长方向漂移，光谱信号解调器接收后向反射光并进行解调，实现对多裂缝的同时监测。2.如权利要求1所述的一种光纤多裂缝监测系统，其特征是:所述连接器包括壳体、连接器卡件和连接器主体，壳体与连接器卡件固连，保证连接器卡件及光纤只沿着轴向移动，防止其发生其他方向的滑动，连接器主体为弹性体设置于壳体中心位置。3.如权利要求2所述的一种光纤多裂缝监测系统，其特征是：连接器卡件部分包括卡件，所述卡件设置于弹性体两侧，且固定在外壳内部，固定住光纤，连接器卡件部分设有空隙以放置足够长度的光纤，松弛程度与弹性体的拉伸长度相配合，以决定多裂缝传感器的口里4.如权利要求2所述的一种光纤多裂缝监测系统，其特征是:壳体中心开孔，壳体上设置有凹槽，连接器卡件设置于凹槽内。5.如权利要求1所述的一种光纤多裂缝监测系统，其特征是：所述裂缝传感元件为CFBG，即栅格周期线性变化的宽光谱光纤光栅，并且CFBG的材质为聚合物光纤。6.如权利要求1所述的一种光纤多裂缝监测系统，其特征是:光纤为聚合物光纤。7.如权利要求1所述的一种光纤多裂缝监测系统，其特征是:所选激光器为可调谐F-P激光器，所述激光器连接至激光调制器，将F-P光源的光信号调制成脉冲信号。8.如权利要求7所述的一种光纤多裂缝监测系统，其特征是:所述宽带光源经由光纤环形器进入传感光纤，CFBG的后向反射光经由光纤环形器从另一路进入FP腔，FP腔受到锯齿波的激励在每个周期内逐点扫描反射光，得到波长对应光强度的CFBG光谱。9.如权利要求1所述的一种光纤多裂缝监测系统，其特征是:所述外壳为管状结构，与连接器连接部位设置有凹槽，以固定连接器。10.基于如权利要求1-9中任一项所述的系统的工作方法，其特征是:将光纤安装在待监测物体表面，连接器主体固定在裂缝两端或易出现裂缝部位，当裂缝出现或生长，连接器主体随之发生弹性形变，每个连接器的绝对位移，均为上一个连接器的绝对位移与该连接器的相对位移之和，与连接器连接的光纤受到拉伸，裂缝传感元件产生轴向应变，导致裂缝传感元件光谱展宽并且向长波长方向漂移，通过光谱信号解调仪得到的光谱信息，监测出裂缝的状态并定位，通过建立裂缝传感元件光宽度与裂缝尺寸之间的关系，实现多裂缝的同时监测。

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