阅读说明：本技术 一种分布式光纤扭转测量装置、方法 (Distributed optical fiber torsion measuring device and method ) 是由 武鑫 郑东健 刘永涛 晏周 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种分布式光纤扭转测量装置、方法,属于光纤测量技术领域,包括感应棒、传感光纤、光纤数据采集器、分析显示系统,所述感应棒上固连有沿着测斜管导槽上下运动的传动装置,所述传感光纤呈螺旋型分布于所述感应棒的外周面,所述传感光纤的两个自由端均通过光纤耦合器与所述光纤数据采集器连接,所述光纤数据采集器与所述分析显示系统连接。能够实现测斜管导槽扭转角及扭转方向的测量,利用光纤传感单元电绝缘性、化学稳定性以及较好的抗电磁干扰能力,能够避免复杂环境的影响,具有操作简便、易维修的优点,且在保证监测精度的同时降低测扭探头的造价。(The invention discloses a distributed optical fiber torsion measuring device and a distributed optical fiber torsion measuring method, which belong to the technical field of optical fiber measurement and comprise an induction rod, sensing optical fibers, an optical fiber data collector and an analysis display system, wherein a transmission device moving up and down along a guide groove of an inclinometer pipe is fixedly connected to the induction rod, the sensing optical fibers are spirally distributed on the peripheral surface of the induction rod, two free ends of the sensing optical fibers are connected with the optical fiber data collector through optical fiber couplers, and the optical fiber data collector is connected with the analysis display system. The measuring device can realize the measurement of the torsion angle and the torsion direction of the inclinometer pipe guide groove, can avoid the influence of a complex environment by utilizing the electrical insulation property, the chemical stability and the better anti-electromagnetic interference capability of the optical fiber sensing unit, has the advantages of simple and convenient operation and easy maintenance, and reduces the manufacturing cost of the torsion measuring probe while ensuring the monitoring precision.)

一种分布式光纤扭转测量装置、方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤扭转测量装置、方法，属于光纤测量技术领域。

背景技术

测斜仪已广泛应用于建筑物基坑、山体边坡、土石坝以及堰塞体等土体内部变形监测中。测斜仪探头是依靠测斜管导槽定位，通过测量预埋测斜管的变位进而获取岩土体的变形，导管既是土体变形的敏感管，也是安置测斜仪探头的通道，因此测斜管的质量直接影响到测斜仪测量结果的可靠性。而实际工程中测斜管受外力作用、安装制作工艺、埋设方式等因素的影响，普遍存在扭曲变形现象，造成测斜仪的测量方位角误差，影响资料分析的准确性。国际岩土力学学会岩石力学建议和我国岩石力学试验规程都规定：测斜管每3米长度的扭转角不得超过1°，全长不得超过5°。考虑仪器造价，实际工程的导管常采用PVC、ABS等材料，其稳定性较差，容易产生扭转变形，工程应用很难将扭转角控制在规范范围内；对于深测孔，测管导槽的扭转对测斜造成的影响有累计趋势，因此需采用测扭仪测量测斜管导槽的扭曲度，以便对轻微扭转部位的监测数据进行修正，对扭转严重的测斜管进行重新埋设等修缮措施，保证监测结果的可靠性。

目前工程通常采用测扭装置通过磁通门或角位移传感器获得测斜管全孔的扭转角分布，但这些测扭仪造价高昂，在潮湿等恶劣监测条件下容易出现故障或损坏，尤其电磁式测扭仪需要在无强磁场干扰和铁磁性物质影响的环境下才能正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种分布式光纤扭转测量装置、方法，具有环境适应性强、抗电磁干扰、操作简便、测量精准且测扭探头造价低的优点。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种分布式光纤扭转测量装置，包括感应棒、传感光纤、光纤数据采集器、分析显示系统，所述感应棒上固连有沿着测斜管导槽上下运动的传动装置，所述传感光纤呈螺旋型分布于所述感应棒的外周面，所述传感光纤的两个自由端均通过光纤耦合器与所述光纤数据采集器连接，所述光纤数据采集器与所述分析显示系统连接。

结合第一方面，进一步的，所述感应棒外周面具有刻槽，所述传感光纤位于所述刻槽中。

结合第一方面，进一步的，所述传感光纤通过紧固胶粘结于所述感应棒外周面的刻槽中。

结合第一方面，进一步的，所述传感光纤选用紧套单模光纤。

结合第一方面，进一步的，所述感应棒采用聚氨酯材料制作形成。

结合第一方面，进一步的，所述传动装置包括两个分别套接在所述感应棒两端的套筒，且所述套筒的相对两侧分别固连有用于与测斜管导槽相配合滚动的导轮装置。

结合第一方面，进一步的，所述感应棒底端套筒上固连有支撑杆，所述支撑杆远离所述感应棒底端套筒的一端固连有一转动环，所述感应棒顶端套筒的底部开设有环形导槽，所述转动环可转动的位于所述环形导槽内。

结合第一方面，进一步的，所述支撑杆为伸缩杆，所述伸缩杆的伸缩端与所述转动环相固连。

第二方面，本发明提供了一种分布式光纤扭转测量方法，包括：

在感应棒的外周面螺旋分布传感光纤，在感应棒上固连传动装置，通过传动装置将感应棒沿测斜管导槽放入至测斜管内底部；

将感应棒的传感光纤通过耦合器接入光纤数据采集器，向传感光纤两端注入短脉冲光和连续探测光使其产生布里渊散射，再由布里渊散射光的频移与应变之间的对应关系得出光纤各点的应变测值；

以感应棒长度为一个提升单位在测斜管内进行提升感应棒，同时记录测斜管沿程各段的光纤应变信息；

根据光纤数据采集器的应变测量数据，解算测斜管扭转造成的光纤线应变，根据其扭转过程中表面光纤几何关系的变化，计算测斜管沿程各部位的相对扭转角及扭转方向。

结合第二方面，进一步的，采用公式(1)、公式(2)计算测斜管沿程各部位的相对扭转角：

式中：L为感应棒长度；r为感应棒半径；Δl₁、Δl₂分别为光纤感应单元正、负应变值解算得出的变形量；ε_j(i)为光纤应变变化段的应变分布，D_j为光纤应变变化段长度，p为PPP-BOTDA的空间分辨率。

与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种分布式光纤扭转测量装置、方法所达到的有益效果包括：能够实现测斜管导槽扭转角及扭转方向的测量，利用光纤传感单元电绝缘性、化学稳定性以及较好的抗电磁干扰能力，能够避免复杂环境的影响，具有操作简便、易维修的优点，且在保证监测精度的同时降低测扭探头的造价。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的一种分布式光纤扭转测量装置的结构示意图；

图2是图1中感应棒、传感光纤的结构示意图；

图3是图1中感应棒、传感光纤、套筒、导轮装置的结构示意图；

图4是图3在A处的横剖面结构示意图；

图5是图3在B处的横剖面结构示意图；

图6是图1中感应棒顶端套筒、转动环、支撑杆的装配结构示意图；

图7是图1中感应棒底端套筒、支撑杆的装配结构示意图；

图8是图1中支撑杆的结构示意图。

附图标记的含义：1-PPP-BOTDA光纤数据采集器；2-传感光纤；3-分布式光纤测扭探头；31-感应棒；32-传感光纤；33-套筒；331-环形导槽；34-支撑杆；341-伸缩端；342-固定端；35-转动环；36-导轮装置；4-测斜管；5-分析显示系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图8所示，根据本发明实施例提供的一种分布式光纤扭转测量装置，包括分布式光纤测扭探头3、PPP-BOTDA光纤数据采集器1和分析显示系统5，分布式光纤测扭探头3经光纤耦合器与PPP-BOTDA光纤数据采集器1连接，PPP-BOTDA光纤数据采集器1与分析显示系统5连接。

脉冲-预泵浦布里渊时域分析技术(Pulse-PrePump Brillouin Opitical TimeDomain Analyzer，简称PPP-BOTDA)是一种基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，具有广阔应用前景，它是向光纤的两端注入短脉冲光和连续探测光使其产生布里渊散射，再由布里渊散射光的频移与应变之间的对应关系得出光纤轴向各点的应变测值，并通过改变泵浦光得形态，在测量的脉冲光发出前，增加一段预泵浦脉冲波来激发声子，实现了空间分辨率及测量精度的提高。

分布式光纤测扭探头3包括表面带刻槽的感应棒31、传感光纤32、套筒33和导轮装置36，将传感光纤32呈螺旋型粘结在感应棒31表面刻槽中，传感光纤32在感应棒31下部圆滑过渡，在感应棒31两端固定套筒33和导轮装置36，保证分布式光纤测扭探头3在测扭转过程中长度恒定，同时保持套筒33和导轮装置36的扭转一致，传感光纤32两端接入PPP-BOTDA光纤数据采集器1，当测斜管4产生扭转变形时，利用PPP-BOTDA光纤数据采集器1测出的光纤各点线应变的变化，可解算得出该部位的相对扭转角及扭转方向。

传感光纤32优选采用紧套单模光纤，传感光纤32通过紧固胶粘结于感应棒31外周面的刻槽中，传感光纤32可通过熔接或光纤法兰以增加长度。

感应棒31优选采用高氧化稳定性、柔曲性、回弹性且耐磨防滑的聚氨酯材料制成。

在感应棒31底端套筒33上固连有支撑杆34，支撑杆34远离感应棒31底端套筒33的一端固连有一转动环35，在感应棒31顶端套筒33的底部开设有环形导槽331，转动环35可转动的位于环形导槽331内。为避免感应棒31在扭转测量过程中发生轴向变形，导致由光纤应变数据计算得出的扭转角误差增大，支撑杆34上端设置***环形导槽331内的转动环35，测斜管4扭转变形使感应棒31两端的套筒33产生相对扭转，支撑杆34能够保持感应棒31在扭转过程中的轴向长度保持不变，同时其上端转动环35可与顶端套筒33产生相对滑动，以保持套筒33与感应棒31的扭转一致。

支撑杆34设计为伸缩杆，伸缩杆的伸缩端341与转动环35相固连，伸缩杆的固定端342与感应棒31底端套筒33相固连，采用伸缩杆匹配不同长度的感应棒以实现分布式光纤测扭探头3的长度调节，可适应不同地质条件和深度、精度要求的测斜管4扭转测量。

本发明提供了一种分布式光纤扭转测量方法，具体包括如下：

根据待测导管的深度和测量精度要求，选择合适长度的分布式光纤测扭探头3即表面带刻槽的感应棒31，在感应棒31刻槽内粘结相应长度的紧套单模光纤，感应棒31两端固定套筒33和导轮装置36，沿测斜管4导槽放入至测斜管4底部。

将分布式光纤测扭探头3的传感光纤32通过耦合器接入PPP-BOTDA光纤数据采集器1，以等于探头长度的间隔提升并记录测斜管沿程各段的应变信息。

根据PPP-BOTDA光纤数据采集器1的应变测量数据，解算测斜管4扭转造成的光纤线应变，并计算测斜管4沿程各部位的相对扭转角及扭转方向，从而给出测斜管4的全孔扭角分布。

若受监测条件的影响，可采用光纤法兰增加传感光纤32长度，或预制多个感应棒31，便于及时更换出现故障的感应棒31。

测扭过程中，分布式光纤测扭探头3的扭转使表面呈螺旋分布型布置的传感光纤32产生应变变化，其中同扭转方向缠绕的传感光纤32会产生正应变，反之则为负应变，因此可以由传感光纤32沿程各点应变值的正负确定扭转方向，同时，根据分布式光纤测扭探头3扭转过程中表面光纤几何关系的变化，可解算出测斜管4在该部位的相对扭转角θ为：

式中：L为感应棒长度；r为感应棒半径；Δl₁、Δl₂分别为光纤感应单元正、负应变值解算得出的变形量。

在正常情况下，测斜管4没有出现扭转变形时，分布式光纤测扭探头3表面光纤处于初始状态，其扭转应变计算值为零；当测斜管4某段出现扭转时，PPP-BOTDA光纤数据采集器1监测该部位的应变计算值偏离零值，偏离量愈大意味测斜管4在该部位的扭转程度愈大，质量愈差，可根据扭转计算结果进行误差补偿或装置修缮工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。