基于LABVIEW技術的無線地層沉降監測儀的研究

張渤

摘 要：文章提出了一種基于3G網絡技術的地層沉降數據采集系統，可實現沉降數據的遠程實時監控與自動處理。該地層沉降監測系統硬件由光纖布拉格光柵（FBG）應力傳感器，波長解調儀，3G路由器組成，軟件采用LABVIEW，遠程登陸控制軟件和B/S架構組成。FBG采集數據通過無線網絡與服務器實現無線互聯，實時對第四紀深厚松散地層沉降變形進行實時監測。該系統可提高對不同地層的沉降進行精確測量，為緊急災害預警及長期災害治理提供可靠依據。

關鍵詞：光纖光柵；無線傳感網絡技術；地層沉降

前言

地層沉降對地面和地下建筑都將造成巨大損害，嚴重影響生產和施工人員的安全，文章提出一種采用埋入高精度光纖布拉格光柵（FBG）應力傳感器的方法，通過不同深度FBG獲得應力數據判斷不同深度地層沉降大小。FBG具有體積小、波長選擇性好、極化不敏感、易于與光纖系統連接、帶寬范圍大、附加損耗小、耦合性好等特性，而且FBG制作工藝比較成熟，易于形成規模化生產，穩定性和測量精度很高，因此它具有良好的實用性。基于FBG構建多點準分布式光纖傳感器網絡，實現地層沉降變形的長期、實時無線監測系統[1]。

1 FBG地層沉降監測原理

地層沉降監測方法，是通過在不同深度不同地層結構間，埋入一個或多個FBG應力傳感器。地層巖層間的緩慢應力變化導致FBG內應力變化，其中心反射波長將發生線性漂移，這樣地層內部的應力變化將于FBG中心波長成線性變化關系，如圖1所示。應力會導致FBG反射光中心波長的改變，而測量環境的溫度往往是不穩定的，溫度的變化也會導致FBG反射光的中心波長發生變化，FBG反射光的中心波長與應力及溫度變化的關系為

式中 應力和溫度變化引起的反射光中心波長的改變；？駐？著為應力的變化；？駐T為溫度的變化量； 光纖的光彈系數；為光纖的熱光系數。

由式（1）可以看出，溫度與應力的變化均會引起FBG反射光中心波長的改變，因此需要溫度補償光柵抵消溫度引起的波長變化[2][3]。

圖1 4X6 FBG應力監測矩陣示意圖

2 無線數據采集系統

有線傳感器組成的監測網絡布線量大、維護費用高，并且在一些野外監測中難以實施，文章提出基于3G無線網絡技術和B/S（Browser/Server）架構無線數據傳輸系統。整個系統的硬件原理如圖2所示。

系統采用Labview開發環境采集解調儀的波長數據，3G無線收發模塊將數據通過無線網絡傳輸到遠端服務器進一步處理，具體程序流程為：上電初始化的時候對應力傳感器進行校正，然后一直處于等待接收計算機握手協議狀態。一旦接收到遠端計算機的握手協議，分析接收數據類型依據數據類型進行相應操作。Labview控制程序如圖3所示。

3 結束語

文章主要介紹了基于FBG應力傳感器的無線地層沉降監測的設計研究工作。將無線應力傳感器用于地層結構的沉降監測，不僅省去布設導線的費用節省安裝時間，并且提供方便的數據共享模式，因此它具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]YJ Rao，et al.使用多路復用光纖布拉格光柵/光纖法布里-珀羅傳感器系統同時測量應變、溫度和振動[J].Electronics Letters，1997，33（24）：2063.

[2]Chai Jing，Liu Jinxuan，Qiu Biao，et al.玻璃纖維光纖布拉格光柵傳感器的松散地層變形檢測[J].隧道與地下空間技術，26（2011）：92～99.

[3]Qiao Xueguang，Ding Feng，Jia Zhen'an et al.基于高精度濾波光纖布拉格光柵解調技術的地震檢測[J].光學學報，2010，30（8）：2219～2223.