以光纖應力傳感為基礎的山體滑坡監測系統分析

梅華 何軍 孔德全 李海勃

摘 要：本文以光纖應力傳感器為基礎，設計了一種山體滑坡預警監測系統。首先簡要分析了光纖應力傳感的基本原理，探討了監測山體滑坡內應力的具體方法，指出了檢測系統的基本構成，最后就檢測方法的可行性進行了實驗驗證。從中得知，山體滑坡監測系統的應力測量范圍為0～14Mpa，測量距離為1km，空間分辨率為2m。

關鍵詞：光纖應力傳感器；山體滑坡；監測系統

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0067-02

針對山體滑坡來講，其無論是對水利工程，還是對橋梁工程、建筑工程等，均有著非常大的危害，因此，對其進行準確、實時預警檢測，十分必要且迫切?，F階段，主要檢測方法主要有如下幾種：降雨量監測法、地下水位監測法，以及諸如鉆孔傾斜儀法、精密大地測量、機械-電子位移測量等以位移為運作軸心的監測方法，針對此些測量方法而言，獲得或少的存在一些缺點與不足，比如無法實現數據處理，難以進行自動測量，在進行多點測量使需要過程的周期等。而對于分布式光纖應力傳感器而言，其所具有的優點為多點測量不需要過長的時間、具有較強的抗電磁干擾能力、高靈敏度等，能夠根據實際情況及需要，用作觀測滑坡體內應力的變化，另外，還能實時、適時監測建筑、水利及橋梁等工程災害。本文基于光纖應力傳感器，介紹了一種山體滑坡監測系統。

1 光纖應力傳感器概述

1.1 光纖應力傳感器概述

對于光纖應力傳感器而言，從根本上來講，其就是以光纖路徑待測力場為基本對象，對其具體的空間分布情況進行感知，另能感知其隨著時間而產生的對應性變化，因而是一種比較先進、智能化的新型傳感器?，F階段，在技術類別上已經出現多種，比如偏振模耦合相干、光頻域反射（OFDR）、光相干域反射（OCDR）、調頻載波（FMCW）等。針對上述這些技術來講，當其處于實驗室條件中，均能夠得到比較理想的結果，性能都比較優良，但是如果實際應用到工程當中，那么其實用性便大大折扣。以光時域反射計（OTDR）為基礎，所設計出的光纖壓力傳感器，不僅有著比較大的動態范圍，而且在靈敏度上也比較高，除此之外，工程實用性也比較突出，基于此些優點，可將其用作監測滑坡體內應力的變化。本文介紹了一種將光纖應力傳感器作為基礎平臺的監測系統，用此監測滑坡體內應力的具體分布情況，同時還能監測其總體的變化情況，因而是一種效果比較突出的用于山體滑坡預警的監測系統。經既往應用實踐得知，此監測系統能夠在山體滑坡中得到廣泛應用，還能用作諸如建筑、橋梁等工程的災害監測。

1.2 光纖應力傳感器的基本原理

若把外界信號依據一定規律，使光纖發生較小周期的波狀變化，光纖把沿其軸線所形成的具有一定周期性的微小彎曲、光纖彎曲等，導致傳感損耗；針對光纖當中傳輸的光強，由于光纖微彎損耗受到一定程度的調制。針對微彎損耗來講，模式耦合為其主要機理，也就是纖芯中傳輸的導模，以耦合的方式傳輸到輻射模中，并伴隨輻射作用傳至光纖之外。

針對光纖而言，如果其受到較大程度的微彎擾動時，那么受此影響，便會產生一定程度的微彎損耗，對于其大小來講，通常能夠比較準確的體現出引起光纖微彎擾動物理量的相應變化情況。針對滑坡內部所存在的應力而言，可借助于微彎調制機構，對光纖實施微彎調制，可以比較準確、全面的對滑坡內部的應力變化進行傳感。在此過程中，可以將光纖所受微彎擾動設定為△P，也就是將應力變化量設定為△P，而將光纖微彎形變設定為△X，由其所產生的微彎損耗具體的變化量，可設定為△α，那么可以得到如下公式：

（1）

在此公式當中，所表示的是靈敏度系數，其不僅與微彎調制機構相對應的齒數與空間周期存在緊密關聯外，還與光纖的傳輸特性之間存在相關性。如果用光線，將多個應力調制區串聯在一起，通過光時域反射計（OTDR）的運用，探測微彎損耗，并對其進行相應定位，因而最終便能達到分布測量應力的目的。首先，可以將注入光纖的光脈沖峰值相應功率設定為P0，那么光脈沖沿著光纖，便會向Z位置處傳輸，當經過n個壓力傳感區之后，于光脈沖注入端處，便可獲得后向散光功率P（Z），共公式可以表示為：

（2）

在此公式當中，α所表示的是光纖對應的衰減系數，單位為dB/km；η表示的是瑞利后向散射因子；而所表示的是第i個壓力調制區相應前、后Z1點、Z2點的后向散射光功率P（Z1），用公式表示為：

（3）

（4）

將這個兩個公式融合在一起，便能得到如下公式：

（5）

對此，在相關操作中，僅需將Z1點與Z2點的瑞利后向散射光功率求出來，即P（z1）、P（z2），然后利用公式（5），便能得出αi的具體數值，借助于擾動，產生前、后的αi，便能從中獲得應力變化量為△P。

2 山體滑坡內應力監測方法分析

所謂滑坡，從根本上來講，就是在重力作用下，呈斜坡狀態的巖土體隨著其下方的軟弱面上所產生的剪切作用過程，而出現整體性運動的一種現象，所以，通過長期性或實時性的監測滑坡體內的應力分布情況，并對其變化趨向展開監測與分析，能夠最終達到對山體滑坡進行監測預警的目的。

取一根標準鋼管，對其進行對稱開槽處理，然后在其中安裝敏感光線，在鋼管上，以一種合理方式固定好應力傳感頭。于滑坡體上，實施鉆孔處理，另外，還需要對孔徑大小進行合理控制，使其≥110mm，然后在孔內置入事先準備好的鋼管，在鋼管的周圍，用水泥砂漿實施回填操作，并進行振動、搗實處理，使鋼管與砂漿成為一個整體，以此來切實保障滑坡體內應力，可以始終作用于應力傳感頭。于鋼管內，可運用鉆孔傾斜儀、機械-電子位移測量儀等，根據實際需要進行對比實驗。

3 監測系統的基本組成

針對監測系統而言，其主要兩部分組成，其一為信號探測與處理系統，也就是OTDR，其二為應力傳感調制器。針對微彎調制機構來講（周期性的），其主要由兩部分組成，分別為定齒板與動齒板，在兩板間放置敏感光纖。而對于動齒板，則將其固定于彈膜片的中心位置處，而對于定齒板而言，則固定于剛性殼體的底座上。針對此時滑坡體所產生的應力，可持續作用于彈膜片，使之產生應變，不斷對動齒板予以帶動，帶動形成一定持續的微彎擾動，最終達到應力調制的目的。對于應力測量的具體范圍而言，起到決定因素的是彈膜片的厚度及大小，也就是利用彈膜片均布載荷的應變計算公式，將應力應變計算公式設定為0～15Mpa。另外，運用OTDR技術，對應力調制所產生的光纖微彎損耗進行探測與定位，針對其光路部分而言，由探測器、光纖分路器、激光器、敏感光纖等組成。在具體的敏感光纖方面，則選用的是專門用于通信的單模光纖。在激光器方面，則采用的是半導體脈沖激光器；而對于探測器而言，運用的是具有比較高靈敏度的PIN光電二極管。針對信號探測與處理系統而言，其主要由LCD顯示器、A/D轉換器、脈沖驅動源、嵌入式CPU板及信號放大電路等組成。

4 實驗結果與分析

針對整個實驗來講，所采用的是標準的1km光纖，而在光源方面，則選用的是半導體脈沖激光器（1.31um），輸出光的具體的脈沖功率為79mw。在設計光脈沖的寬度時，可以選擇的取值為100ns、20ns、10ns與50ns，如果所選值為20ns、10ns，那么都可以從中得到比較理想化、高質量的瑞利后向散射信號，因而能夠切實保障2m的空間分辨率。

在針對信號所采用的光時域探測方法當中，保障系統的動態范圍以及其空間分辨率，乃是設計整個監測系統的核心所在。針對動態范圍來講，其除了會對應力測試點數造成影響之外，還會對每點應力的具體測試范圍產生影響；而對于空間分辨率而言，其則會對敷設傳感頭相應最小距離造成影響。因此，在設計設計過程中，通過采取有效措施，降低光接收電路的接收靈敏度，或者是提高高光脈沖的相應能量，均能使系統的動態范圍得到提高。針對激光器而言，如果其有著比較有限的輸出功率，一般情況下，通過對接收機電路進行優化，或者是對數字平均方法進行優化，同樣能實現系統動態范圍的提升。對于傳感器的相應靈敏度而言，其一般會受到微彎調制機構的齒數及空間周期的影響，依據模式耦合所持有的最佳周期，對微彎調制機構相應空間周期進行設計，并且根據實際需要，適當增加變形區的長度，或者是齒數，能夠實現盈利傳感靈敏度的提升。

為了能夠更加準確、全面的對滑坡體內應力監測方法的可行性進行驗證，特意根據實際情況及需要，進行了有針對性的野外實驗。于滑坡體相應下滑方向，以鉆孔的方式，對此監測系統予以敷設，而選擇坡面B、E兩方向處，用作具體的監測工作，且配合開展了地下水位以及降雨量方面的監測?；谒玫浇涤炅?、地下水位以及應力分布的變化曲線，經系統化分析得知，滑坡體的內應力變化曲線與降雨量的變化曲線、地下水位的曲線之間，有著較大程度的吻合，變化趨勢也比較相似，由此表明，地下水位、降雨量變大，此時的內應力同樣會隨著而變大，所以，運用滑坡體內應力的監測方法是準確與可行的，適用性好。

5 結語

綜上，本文以光纖應力傳感為基礎，探討了一種時下比較實用的山體滑坡監測系統，實現了用滑坡內部應力的變化與分布來監測山體滑坡預警。針對此方法而言，其有著比較高的測量靈敏度，另外，還能實現組網監測以及多點分布式測量，有著比較好的工程應用性；還需指出的是，空間分辨率可借助于光纖繞組，或者是傳感頭的正反方向的交錯排列，來深入提升。現階段，此監測系統已經在長江三峽庫區中得到很好的應用，此監測系統除了能夠對山體滑坡進行預警監測之外，還能用作民用工程設置的監測，總體應用效果佳。

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