专利名称：光纤光栅地质灾害监测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种地质灾害监测设备，尤其是一种光纤光栅地质灾害监测仪。
背景技术：
现有滑坡崩塌岩体推力监测仪是目前地质灾害滑坡监测的主要仪器之一，但是原 有仪器使用的分布式光纤压力传感器存在测量参数单一、传感器体积大、不利于孔内安装 等问题。国外欧美发达国家对光纤光栅传感技术在桥梁、水坝、管线、隧道等多种基础结构 的力学参数测量和状态监测中得到广泛应用日本、韩国等利用光纤B0TDR原理，研制了 AQ8603型光纤应变分析仪，但费用昂贵；加拿大一家公司利用光纤法-布(FB)腔原理，研 制了单点式土压力计。国内的重庆大学也利用光纤法-布(FB)腔原理，研制了单点式土压 力计；三峡大学利用光纤0TDR原理，研制了大坝位移监测仪；清华大学、武汉理工大学利用 光纤受压变形光能量损失的原理，研制了单点式土压力计。近年来国内的一些科研院校，也 通过改装用于光纤通讯的B0TDR和0TDR分布式光纤在线故障检测仪，用于岩土层滑坡体的 应变监测，但由于应用领域的不同，受到很大的局限。综上所述，在中国、日本、韩国、美国、意大利等国，利用分布式光纤光栅(FBG)传 感器，在桥梁、隧道、管线和建筑物中应用比较广泛，但由于岩土层滑坡体的监测特殊性，在 国内外都未见有在岩土层滑坡体中开展滑坡体推力、温度和位移多参数的光纤光栅(FBG) 测量的报道。因此，急需提供一种能在岩土层滑坡体中开展滑坡体推力、温度和位移多参数 监测且体积小、方便孔内安装的光纤光栅地质灾害监测仪。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种能在岩土层滑坡体中开展滑坡体推力、温度和位移 多参数监测且体积小、方便孔内安装的光纤光栅地质灾害监测仪。本实用新型的光纤光栅地质灾害监测仪，具有电源电路，其特征是还具有光纤光 栅表面应变计、光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅土推力计、标准单模光 栅、高速A/D转换器、光源发射器、探测器、信号处理单元和通讯接口，所述光纤光栅表面应 变计具有表面应变输出端，所述光纤光栅埋入式应变计具有埋入式应变输出端，所述光纤 光栅温度计具有温度输出端，所述光纤光栅土推力计具有土推力输出端，所述电源电路与 高速A/D转换器、光源发射器、探测器、信号处理单元和通讯接口相连通，所述光纤光栅表 面应变计、光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅土推力计和标准单模光栅均 与光源发射器相连通，所述表面应变输出端、埋入式应变输出端、温度输出端、土推力输出 端和标准单模光栅均与探测器相连通，所述探测器与高速A/D转换器相连通，所述高速A/D 转换器与信号处理单元相连通，所述信号处理单元与通讯接口相连通。本实用新型的光纤光栅地质灾害监测仪拟在原有技术的基础上，采用埋设光纤光 栅(FBG)传感器的方法取代原有技术进行滑坡地表和深部推力、位移、温度等多参数的监 测预报。光纤光栅技术(FBG)具有体积小、测程大、灵敏度高、精度高、耐腐蚀、抗潮和抗磁等特点。本实用新型的光纤光栅地质灾害监测仪利用多种光纤光栅(FBG)传感技术的特 点，直接采用光纤中高新技术中的传感器对滑坡崩塌岩体滑体推力、温度和位移进行实时 自动监测，预报灾害的发生，这在国内外尚属首次，也是研究的发展趋势。本实用新型的目的是直接采用光纤中高新技术中的多类型传感器对滑坡崩塌岩 体滑体推力、温度和位移进行实时自动监测，提供一种能完成全程监测、多参数、数据齐全 并能将地质灾害发生时的数据进行研究的光纤光栅地质灾害监测系统。本实用新型的光纤光栅地质灾害监测仪主要具有光纤光栅表面应变计、光纤光栅 埋入式应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅土推力计、标准单模光栅，光源用半导体脉冲激 光器，探测器选用高灵敏度PIN光电二极管，采用低噪声宽带放大器、高速A/D转换器、工控 机作为后续的信号处理单元、通讯接口、电源和野外供电系统。所述光纤光栅表面应变计具 有表面应变输出端，所述光纤光栅埋入式应变计具有埋入式应变输出端，所述光纤光栅温 度计具有温度输出端，所述光纤光栅土推力计具有土推力输出端，所述标准单模光栅为标 准比较单元，所述半导体脉冲激光器为光源发射器，它为各光纤光栅提供可靠稳定的光信 号；所述高灵敏度PIN光电二极管为探测器，它收集各光纤光栅反射回的光信号；所述低噪 声宽带放大器为光信号滤波放大器，它对收集的光信号进行分辨和预处理；所述高速A/D 转换器为转换速度达到20Mhz的AD转化频率，它对探测器传输的信号进行模数转换；所述 信号处理单元包括光环行器和F-P滤波，它对探测器收集的信号进行对比和计算，然后将 计算后的数据发送到通讯接口 ；所述通讯接口为标准RS232串行通讯接口，它与外部工作 人员的终端设备连接传输数据；所述野外供电系统为电源供给稳定电能。本实用新型监测仪的基本构思是光纤光栅地质灾害监测系统采用分布式光纤光 栅(FBG)传感器技术和其配套工艺，定向埋设于需监测的滑坡滑体测量管环状间隙内的适 当位置。采用光纤光栅的发射光谱和反射率与光纤光栅(光纤光栅表面应变计、光纤光栅 埋入式应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅土推力计)所受的应变大小有着直接的关系的 原理，利用高精度的光滤波器获取光纤光栅的反射光谱特性，当光纤(光纤光栅表面应变 计、光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅土推力计)受外界(推力、温度和 位移的变化)拉伸力，造成光纤伸缩，通过计算其偏移量求得光纤的轴向变形量，将光纤光 栅传感器与测量管定向固定，当测量管横向受力时，测得测量管所受推力；当温度发生变化 时，测得滑体温度变化。当滑体发生位移时，则可通过光纤光栅传感器测得测量管的曲线变 形量，通过计算光纤伸缩的差异，计算求得测量管位移方向及滑坡崩塌岩体滑体位移量。监 测系统利用光纤光栅的反射中心波长随光纤光栅所受的应变或温度的改变产生移动，其波 长移动量的多少直接反映应变或温度大小的工作原理。其中利用光纤光栅封装结构的变 化，实现应变、应力、压力、温度、位移等多种参量的测试；对多个光纤光栅的中心波长进行 排布上的设计，则实现多点的准分布式测量。为地质灾害滑坡预测以及防治工程提供可靠 的依据。本实用新型监测仪的技术线路是光纤光栅受外界(推力、温度和位移)因素变形 其发射光谱特性曲线将发生变化，这种变化包含了反射光强的变化。将光纤光栅固定测量 管上，其将受到滑坡体内的推力、温度和位移变化的作用发生形变。利用光时域发射探测技 术探测入射光光纤光栅的发射后，回到入射端的光强的变化，利用现有光学公式的计算，就 可准确测出光纤的受推力、温度和位移大小和空间位置，再根据传感器埋设在滑体内的位置，就可以得出滑坡体内具体位置所受推力、温度和位移的大小。本实用新型监测仪的安装实施方案是(1)选择监测点面根据监测区地形地貌特点和地质灾害监测 要求，布置监测系 统的监测点面，监测点面一般在基本断裂带上，并且按等高线定位3-4个监测点，分别记作 1、2、3、4号监测点打监测钻孔根据监测区地质结构具体情况，检测孔深度应打入滑带以 下位置。(2)安装光纤光栅传感器将光纤光栅传感器固定在测量管上，光纤固定在测量 管四周，切忌弯折，并将光纤头路出测量管之上。(3)埋设测量管将安装好光纤光栅传感器的测量管放入监测钻孔中，并用罗盘 打好主滑方向，调整测量管，使光纤光栅传感器正对主滑方向。(4)注浆往孔壁内注射泥浆，以固定测量管。(5)开机测试初值打开光纤光栅推力仪进行初测，并记录光纤光栅传感器的埋 设初值。本实用新型监测仪的优点是与原有仪器使用的分布式光纤压力传感器相比较， 原有仪器存在测量参数单一、传感器体积大、不利于孔内安装等问题，光纤光栅地质灾害监 测仪采用埋设光纤光栅(FBG)传感器的方法取代原有技术进行滑坡地表和深部推力、位 移、温度等多参数的多参数实时监测预警具有高精度、高分辨率、多功能、多通道等特点。本实用新型的监测仪的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本实用新型监 测仪的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。与前述现有同类产品相比，本实用新型的光纤光栅地质灾害监测仪能在岩土层滑 坡体中开展滑坡体推力、温度和位移多参数监测且体积小、方便孔内安装。本实用新型的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本实用新型的内容不仅 限于实施例中所涉及的内容。
图1是实施例中光纤光栅地质灾害监测仪的电路框图。图2 5是实施例中光纤光栅地质灾害监测仪的电路图。
具体实施方式
如图1 5所示，本实施例中所述光纤光栅地质灾害监测仪具有电源电路1，其特 征是还具有光纤光栅表面应变计2、光纤光栅埋入式应变计3、光纤光栅温度计4、光纤光栅 土推力计5、标准单模光栅6、高速A/D转换器7、光源发射器8、探测器9、信号处理单元10 和通讯接口 11，所述光纤光栅表面应变计2具有表面应变输出端，所述光纤光栅埋入式应 变计3具有埋入式应变输出端，所述光纤光栅温度计4具有温度输出端，所述光纤光栅土推 力计5具有土推力输出端，所述电源电路1与高速A/D转换器7、光源发射器8、探测器9、信 号处理单元10和通讯接口 11相连通，所述光纤光栅表面应变计2、光纤光栅埋入式应变计 3、光纤光栅温度计4、光纤光栅土推力计5和标准单模光栅6均与光源发射器8相连通，所 述表面应变输出端、埋入式应变输出端、温度输出端、土推力输出端和标准单模光栅6均与 探测器9相连通，所述探测器9与高速A/D转换器7相连通，所述高速A/D转换器7与信号处理单元10相连通，所述信号处理单元10与通讯接口 11相连通。本实施例中光纤光栅地质灾害监测仪的安装步骤是1.光纤光栅传感器的埋设安装(1)成孔1)在选定部位采用适宜钻进工艺成孔直孔，孔斜误差≤士5%，终孔孔径 ≥ Φ 110mm。2)成孔后可采用声波测井和孔内电视对孔内地质情况进行了解，特别对软弱夹层 的层位、深度、厚度、滑带等进行描述，作钻孔柱状图。3)为防止塌孔，并为将来进行孔口保护做好准备，孔口段应下入相应的表层套管。4)钻孔终孔应按设计穿过滑带，一般进入完整基岩或稳定岩山体6米以上。(2)测量管光纤光栅传感器的安装理论埋设所使用的测量每根推力管长约4米，并配置适当短节，中间由推力管接头(Φ89) 或传感器座(Φ89)，用M12的螺栓连接，接头上设计有导槽，用以保护光纤，记录下光纤光 栅传感器下入的孔深和方位，逐根对接后下入钻孔内。在安装时还应注意以下几点1)测量管安装前，应先进行扫孔，并清理孔底尘渣，保证推力管的顺利安装，在钻 探开孔时所用的护孔套管均部分保留。保留套管的长度一般不应小于3. 0m，或根据滑坡堆 积层厚度而定。2)进行光纤光栅地质灾害监测的钻孔，终孔孔径不小于Φ 110，所有钻孔终孔后 的应校正孔深。孔深最大误差不得大于1 %，钻孔顶角最大允许弯曲度为每百米孔深不得超 过2°，随孔深增加可递增计算，顶角如超过5°后要测方位角。3)将光纤光栅传感器固定在测量管上，光纤固定在测量管四周，切忌弯折，并将光 纤头路出测量管之上，即安装光纤光栅传感器成功。4)将安装好光纤光栅传感器的测量管放入监测钻孔中，并用罗盘打好主滑方向， 调整测量管，使光纤光栅传感器正对主滑方向，即埋设测量管成功。5)光纤光栅传感器与钻孔环状间隙灌浆，从监测管中孔通过底部返浆法，为了使 环状间隙灌实形成整体，因此采用的水泥砂浆的配合比一般为1 2，灌浆完毕后，埋设好 孔口保护管，安装好测试平台(1.5X1.5m2)注意在光纤接头部分，不要踩坏或灌入水泥浆 液，并做好四个光纤接头的方向标记符号，作好安装记录表(见附表)。至此，光纤光栅监测 孔安装，埋设即告成功。2.监测及资料处理(1)测量准备1)仪器，连接将仪器及电源从箱中取出，并连接好对应电源插头，从孔口保护管 中取出光纤接头，小心剥去防水胶带，拔下保护盖，观察插头有无异物，用乙醇(酒精)，长 纤维纤纸清洗干净，再对正插口导槽，将插头插入光纤插座，并拧到位，但用力不宜过大。2)仪器检查仔细检查各插头是否连接正确，将逆变电源处于逆变状态打开，逆 变输出后，打开仪器电源，启动仪器。(2)运行监测程序仪器启动正�：螅舳庀送屏υ诵谐绦騮mps. exe软件界面见图见光纤光栅地质灾害监测仪软件使用说明。[0045](3)命名数据文件现场采集的数据按年月日时的文件名存盘，只需在记录表上记录下其测点压力 值、文件名、孔号、光纤端头记号即可。(4)数据记录现场数据采集记录表，见附表2。在数据采集记录表上，记录下孔号、日期、传感器编号、方向、位置、采集光纤头编 号，采集文件，推力。现场安装下管记录表记录下测量管长度、孔深等，记录下孔号主滑方向、传感器 的安装方向、孔深度。(5)数据处理及绘图运行光纤推力数据处理软件。软件分为四个处理程序界面数据输入、数据处理、模型数据比较、预测预报。(6)监测周期人工采集时，一般情况下每月监测一次或按设计进行，在施工期可根据防治工作 需要，增加测次，压力明显加大时也应适当增加监测密度。
权利要求一种光纤光栅地质灾害监测仪，具有电源电路，其特征是还具有光纤光栅表面应变计、光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅土推力计、标准单模光栅、高速A/D转换器、光源发射器、探测器、信号处理单元和通讯接口，所述光纤光栅表面应变计具有表面应变输出端，所述光纤光栅埋入式应变计具有埋入式应变输出端，所述光纤光栅温度计具有温度输出端，所述光纤光栅土推力计具有土推力输出端，所述电源电路与高速A/D转换器、光源发射器、探测器、信号处理单元和通讯接口相连通，所述光纤光栅表面应变计、光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅土推力计和标准单模光栅均与光源发射器相连通，所述表面应变输出端、埋入式应变输出端、温度输出端、土推力输出端和标准单模光栅均与探测器相连通，所述探测器与高速A/D转换器相连通，所述高速A/D转换器与信号处理单元相连通，所述信号处理单元与通讯接口相连通。
专利摘要本实用新型涉及一种地质灾害监测设备，尤其是一种光纤光栅地质灾害监测仪。该监测仪具有电源电路，其特征是还具有光纤光栅表面应变计、光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅土推力计、标准单模光栅、高速A/D转换器、光源发射器、探测器、信号处理单元和通讯接口，光纤光栅表面应变计具有表面应变输出端，光纤光栅埋入式应变计具有埋入式应变输出端，光纤光栅温度计具有温度输出端，光纤光栅土推力计具有土推力输出端。本产品能在岩土层滑坡体中开展滑坡体推力、温度和位移多参数监测且体积小、方便孔内安装。
文档编号G01B11/02GK201561828SQ20092024379
公开日2010年8月25日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者刘一民, 周策, 宋军, 汤国起, 胡时友, 陈文俊 申请人:中国地质科学院探矿工艺研究所
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