基于OTDR的分布式光纖微彎傳感系統設計

龔冬梅, 孫小芳, 何惠如, 王燕瓊

(華僑大學 信息科學與工程學院, 福建 廈門 361021)

光纖傳感技術在很多工程領域已得到廣泛應用,而分布式光纖傳感系統[1-4]是研究最多的光纖傳感技術,比如應用于橋梁、建筑、水利工程和崩塌滑坡巖土災害的安全監測[5-9]。但現有光纖傳感技術的實驗教學存在與工程應用相脫節的現象,教學實驗儀器主要集中在基本原理的驗證方面,不能進行工程應用模擬實驗。為此,本文開發了分布式光纖微彎傳感系統實驗平臺,可用于工程結構破壞監測模擬實驗和教學。

光時域反射儀(OTDR)是利用光脈沖在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射而制成的精密光電一體化儀表,它被廣泛應用于光纜線路的維護、施工之中,可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。本實驗系統以OTDR為主要儀器,結合巖土工程應用,設計了混凝土路面塌陷監測、崩塌滑坡巖土災害監測2個巖土工程應用項目。光纖微彎傳感系統可檢測模擬建筑墻體的下沉位移量和巖土滑坡引起的局部位移量,并可同時進行多點多傳感器監測實驗,具有明顯工程應用特點。實驗平臺將光纖傳感技術工程應用實踐搬進實驗室,提高了學生應用所學專業知識的能力。

1 系統總體設計

分布式光纖微彎傳感系統實驗平臺設計目標是: 應用OTDR的分布式光纖衰減測量功能,采用光纖微彎傳感器對巖土工程結構破壞進行分布式監測[10-13],得到結構的局部破壞位移量。實驗平臺可模擬混凝土路面塌陷監測、崩塌滑坡巖土災害監測2個工程應用項目。工程結構破壞通過底部抽板形成局部塌陷進行實驗,改變抽板厚度使結構體產生不同局部位移,位移量通過光纖微彎傳感器檢測。

分布式光纖傳感實驗系統總體結構如圖1所示,主要由OTDR、光纖傳感器、巖土結構體、標準光纖、延時光纖、尾纖、重物、抽板和計算機組成。系統中的標準光纖、延時光纖、尾纖以及光纖傳感器所用光纖均為漸變型多模光纖(GIF)。分布式光纖傳感采用多傳感器串聯檢測方法,可以在一條光纖上串聯多個光纖傳感器,圖1中串聯了2個光纖傳感器,即光纖傳感器1#和光纖傳感器2#。OTDR與光纖傳感器1#之間采用一定長度的標準光纖過渡,以免受光纖入射端面的反射光影響。光纖傳感器1#與光纖傳感器2#之間設置一段延時光纖,使2個傳感器可以分別測量不同位置的巖土結構形變,并且在OTDR顯示曲線中可以分開識別。光纖傳感器2#的后端接入一定長度的尾纖,可以減小光纖末端端面的反射光影響。實驗系統可以只用1個光纖傳感器單點監測,也可以將多個光纖傳感器用延時光纖串聯起來進行多點監測實驗。

圖1 分布式光纖傳感實驗系統的總體結構示意圖

圖1中的巖土結構體是指進行實驗而模擬的工程結構體,系統配置了混凝土路面和巖土山坡2個巖土結構體。模擬工程結構破壞程度是通過圖1中的抽板厚度變化來實現的。重物用于研究巖土結構體的承重能力。計算機用于處理OTDR檢測到的光衰減數據,通過建立光衰減量與工程結構形變量的關系,采用軟件編程進行數據處理。

2 系統具體實現

2.1 光纖傳感器

光纖傳感器采用套管式微彎傳感器,如圖2所示。套管為金屬材料,光纖為帶尼龍護套(外徑0.9 mm)的多模光纖。將多個金屬套管串聯形成套管鏈條,光纖從套管鏈條軸線上穿過。當套管鏈條局部受到外部壓力時產生局部移位,其內的光纖就產生微彎變形,出現微彎衰減,成為光纖微彎傳感器。將套管鏈條埋設于巖土結構體中,初始狀態盡量使套管與套管之間形成一條直線,此時光纖傳感器沒有衰減。當結構體變形時,將引起套管的位移,使光纖產生微彎衰減。結構體變形量、光纖微彎曲率半徑和光纖衰減量的關系是實驗系統平臺的主要研究和實驗內容。

圖2 套管式微彎傳感器原理圖

設光纖只在平面內產生微彎,并且其微彎的曲率形狀為高斯型,則曲率形狀引起的微彎衰減為[14]

(1)

式中,Δn為光纖相對折射率差,N為光纖總微彎數,A0、W0分別為平均曲率微彎峰值和平均微彎單元寬度,d為光纖芯徑。

根據(1)式可知,高斯型曲率形狀引起的微彎衰減與微彎單元平均寬度成近似指數下降關系。這可以用彎曲光纖的曲率半徑來表示,當微彎單元平均寬度W0很大時,曲率半徑也很大(輕度彎曲),光衰減較小,一般可不予考慮；當曲率半徑減小時,衰減呈指數增長。可見,套管式微彎傳感器的套管長度不宜過長,以減小光纖微彎曲率半徑,提高衰減變化量,但套管太短也容易將光纖折斷,需綜合考慮。

圖3 套管式光纖微彎傳感器結構

套管式光纖微彎傳感器的模型結構如圖3所示,圖中套管外徑為2.5 mm,內徑為1.5 mm,長度10 mm。為使套管具有一定硬度和韌性并避免銹蝕,套管選用黃銅材料制作,黃銅套管的一端為凹球面,另一端為凸球面,這樣在2個套管連接部位就起到活動關節的作用。將黃銅套管用不銹鋼絲線串聯成鏈條而組成套管式光纖傳感器,不銹鋼絲線兩端固定在堵頭帽上,并使套管限制在相對緊密排列的范圍內,既不會使套管相互脫離,也不會因固定太緊而不能相互改變角度,且光纖在套管中處于自由狀態。由于兩節套管的連接部分具有嵌套結構,凸球面受到凹球面邊沿的支撐而不會脫離,在壓力作用下兩節套管之間便形成一定夾角,使套管內的光纖產生微彎,光纖微彎曲率半徑隨著兩節套管之間夾角的減小而減小。光纖與外界完全隔離的結構設計符合工程應用要求,具有可靠性、耐用性和靈活性。

2.2 巖土結構體

巖土結構體如圖4所示。圖4(a)為模擬混凝土路面塌陷監測實驗模塊示意圖,實驗模塊由混凝土、路基沙石、抽板、重物和木框組成,套管式光纖微彎傳感器埋設在混凝土下方。將抽板從底部抽出,混凝土底部形成空洞,混凝土在重物壓力下而塌陷,引起光纖微彎衰減并由OTDR測得衰減曲線。采用不同厚度的抽板可以得到不同衰減的OTDR曲線,觀察OTDR監測到的信號變化并進行記錄分析從而判斷路面塌陷程度。

圖4 巖土結構體示意圖

圖4(b)為模擬巖土山坡崩塌滑坡實驗模塊示意圖,實驗模塊由上開口木箱、抽板,以及含有一定水分的碎石塊和泥土組成。開口木箱的側面有多個孔洞,用于套管式光纖微彎傳感器穿過,將抽板從木箱的底部抽出,模擬底部掏空時木箱內的山體滑坡過程和變形量。該實驗模塊同時可以進行巖土承重實驗,通過在巖土斜坡上方放置不同重量的重物,觀察產生山體變形和滑坡的情況。

3 系統實驗驗證

實驗系統搭建后進行可行性驗證。作為實驗驗證的一個例子,實驗只用一個套管式光纖微彎傳感器,按照圖4所示的結構位置安裝,其中標準光纖長度和尾纖長度均為250 m,繞制成光纖環,但要注意避免出現繞制缺陷[15]。OTDR衰減曲線如圖5所示,可以看到在距離250 m處有一個光強度跌落臺階。圖5(a)為混凝土路面塌陷監測實驗模塊的抽板完全抽出(抽板厚度10 mm)時，OTDR監測到的混凝土完全塌陷時的光纖衰減曲線。OTDR主要參數:激光波長為1 310 nm,脈寬為100 ns,距離量程為500 m。圖5(a)中標記點①—②的衰減值為8.529 dB,換算為塌陷深度傳感靈敏度約為0.85 dB/ mm。圖5(b)為崩塌滑坡巖土災害監測模塊的抽板完全抽出并產生滑坡時(抽板厚度為10 mm)，OTDR監測到的光纖衰減曲線,標記點①—②的衰減值為3.162 dB。圖5的OTDR衰減曲線驗證了將套管式光纖微彎傳感器應用于搭建的混凝土路面塌陷監測模塊和崩塌滑坡巖土災害監測模塊的實驗具有很好的響應度。當改變抽板厚度時,上述2個實驗模塊OTDR標記點①—②的衰減值跟著改變。

圖5 單傳感器實驗的OTDR衰減曲線

4 結語

基于OTDR的分布式光纖微彎傳感實驗系統可進行模擬混凝土路面塌陷和巖土崩塌滑坡2個工程項目實訓,實現了光纖傳感技術實驗與工程應用相結合的目標,為巖土結構體監測研究和教學實驗提供了平臺。設計的新型套管式光纖微彎傳感器結構符合工程應用要求,具有可靠性、耐用性和靈活性。實驗監測到模擬混凝土路面和模擬巖土山坡在壓力下的空洞塌陷和滑坡現象。實驗系統平臺可為工科院校建設工程性實驗平臺提供有益的參考。