申请/专利权人：河海大学;水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院;长江航道局;江苏省水利科学研究院;江苏省淮沭新河管理处

申请日：2023-10-12

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN117516400B

主分类号：G01B11/16

分类号：G01B11/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.28#授权;2024.02.27#实质审查的生效;2024.02.06#公开

摘要：本申请公开了一种基于试验确定光纤传感监测软体排变形时的应变转换方法，包括：模型试验设计；求定点光纤测量得到的断面的伸长量ΔLR；推算测量断面伸长量与基准值的测量偏差ye；求应变传递系数C；分析不同定点间距对测量精度的影响；光纤弯曲变形εti与排体应变ε'ti的换算。本发明考虑了软体排的拉伸或者压缩变形，也考虑了结构的弯曲变形，可克服光纤固定方式、光纤量规长度以及不同定点间距对软体排变形应变测量精度的影响，可为软体排现场变形分布式光纤传感监测的应用提供支撑。

主权项：1.基于试验确定光纤传感监测软体排变形时的应变转换方法，其特征在于，具体步骤如下：S1，光纤传感测量软体排变形的模型试验设计；S2，确定各定点间距下光纤测量断面的伸长量；S3，计算断面的测量伸长量与实际伸长量的测量偏差；S4，求不同定点间距下光纤测量软体排变形的应变传递系数；S5，拟合得到光纤不同定点间距对测量精度的影响公式；S6，建立应变换算公式，进行排体应变的换算；所述步骤S1具体为：制作一个4m×2m×1m矩形水槽，水槽内用模型沙埋置直径10-40cm的圆柱形气囊后平铺密实处理，外接打气和抽气装置用以模拟地形的变化，排布及压载块体的模拟比尺设定为1：30，软体排基布选用250gm2的棉布，压载块体选用密度为2.7×103kgm3、底部直径为1.1cm、高度为0.3cm铝合金圆柱体片进行模拟，压载块体重量模拟偏差为-2.8％，符合±5％规范要求，压载块体以电熔胶粘贴在棉布上，粘贴间距按原型间距同比尺缩小；总共制作2块粘贴有光缆的模型排布，排布1上沿测量断面平行粘贴光纤，光纤定点方式分为全面粘贴以及定点粘贴，所述定点粘贴的间距分别为2cm、4cm、6cm以及8cm，总计5种布设方案，光纤互相间隔2.5cm，断面监测长度为1.2m，排布2粘贴光纤的定点间距为2cm，排布上布设有15个断面，断面间距在0.05～0.1m，断面测量长度1.2m；定义相对定点间距R来表示定点间距的大小，该参数表征了定点间距Δt与单个软体排压载块体平均所占空间长度Δl的比值，定点间距2cm、4cm、6cm、8cm以及全面粘贴所对应的相对定点间距R分别为1.2、2.4、3.6、4.8以及0，排体光纤变形监测采用高精度光纤解调仪OFDR，仪器测量精度±1με，空间分辨率1mm，最高采样分辨率1mm，根据气囊充气量的不同，在水槽中分别对两块排布进行3次地形隆起模拟，地形每次变化后静置15min后对各断面地形以及光纤应变进行测量；所述步骤S2具体为：通过S1所述排布1的模型试验，得到不同定点间距下光纤测量断面的伸长量△LR，任意点的应变测量值为εi，断面的伸长量为△LR： 式中，Δls为光纤应变测量的空间分辨率，N是指断面测量应变数据的总个数；所述步骤S3具体为：通过S1所述排布1的模型试验，得到不同定点间距下光纤的应变测量偏差，选取2cm、4cm、6cm以及8cm各定点间距下光纤测量断面的伸长量与光纤全面粘贴基准变化量进行对比，分析不同相对定点间距下的应变测量偏差，不同定点间距下光纤测量断面伸长量与基准值的测量偏差ye表示为： 式中，ΔLR＝0表示光纤全面粘贴基准变化量，ΔLR代表不同定点间距下光纤测量断面的伸长量；所述步骤S4具体为：求不同定点间距下光纤测量软体排变形的应变传递系数，对于光纤任意点的应变，其理论测量值εm是实测值εi及传递损失值εloss之和，即：εm＝εi+εloss对应光纤的理论变形量即伸长量ΔL0为： 式中，Δls为光纤应变测量的空间分辨率；N是指断面测量应变数据的总个数；光纤传递效率ti为实测应变与理论应变的比值： 由实测应变计算实际光纤伸长量的公式为： 根据断面地形数据计算得到排体实际的变形伸长量ΔL1，而排体变形伸长量ΔL1可认定为实际的光纤伸长量ΔL0；N是指断面测量应变数据的总个数；同时由实测应变数据得到的实测光纤伸长量ΔL2公式为： 传递效率ti表示为： 定义传递系数c是实测应变值向实际应变值转换的系数，为上式中传递效率系数ti的倒数，可得：ΔL1＝c·ΔL2通过S1所述排布2的模型试验，得到相对定点间距R＝1.2时，ΔL1-ΔL2拟合的关系为： R＝1.2时光纤与排体协同变形的传递系数c为23.31；所述步骤S5具体为：拟合得到光纤不同定点间距对测量精度的影响公式，采用线性回归分析，建立了光纤相对定点间距与测量偏差的预测公式关系，该拟合公式为：ye＝0.057R；所述步骤S6具体为：建立应变换算公式，进行排体应变的换算，由步骤S5给出了不同相对定点间距与测量偏差的关系，对于某一断面的伸长量，采用不同相对定点间距R＝n、R＝m的光纤进行测量时： 式中，为相对定点间距R＝n时的应变测量值与测量偏差；为相对定点间距R＝m时的应变测量值与测量偏差；对于R＝n、R＝m时的实测伸长量计算公式为： 式中，ct为全面粘贴时的应变传递系数；不同相对定点间距R＝n、R＝m下的应变传递系数为： 试验已测得当R＝1.2时，c1.2＝23.31，联立上述二式，对任一相对定点间距R＝m的传递效率cm为： 即： 因而，最终得到排体弯曲变形下不同定点间距下的光纤-排体应变测量换算公式为： 式中，εti为实测应变，εt′i为换算后的应变。

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