一种用于隧道表面形貌测量的四纤芯光纤光栅传感器
阅读说明：本技术 一种用于隧道表面形貌测量的四纤芯光纤光栅传感器 (Four-fiber-core fiber grating sensor for measuring tunnel surface morphology ) 是由 李俊 邓军 王伟峰 翟小伟 *** 郭彦希 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明属于隧道结构监测技术领域,尤其为一种用于隧道表面形貌测量的四纤芯光纤光栅传感器,利用多纤芯光纤中的每芯中的光纤光栅在受力后同时产生拉伸应变的原理,可求出对应的的曲率,进而得到对应的表面位移变化情况来反应结构体的表面形貌状况,通过光纤和其他光纤传感器相互连接,可实现结构体的位移、温度、振动,等物理量的远程实时监测,大大节省了线缆的数量和敷设成本,适用于恶劣环境的监测需求。(The invention belongs to the technical field of tunnel structure monitoring, in particular to a four-fiber-core fiber grating sensor for measuring the surface appearance of a tunnel, which can calculate the corresponding curvature by utilizing the principle that the fiber grating in each core of a multi-fiber-core fiber simultaneously generates tensile strain after being stressed, further obtain the corresponding surface displacement change condition to reflect the surface appearance condition of a structural body, and can realize the remote real-time monitoring of physical quantities such as displacement, temperature, vibration and the like of the structural body by mutually connecting the fiber and other fiber sensors, thereby greatly saving the quantity and laying cost of cables and being suitable for the monitoring requirement of severe environment.)
技术领域
本发明属于隧道结构检测技术领域，具体涉及一种用于隧道表面形貌测量的四纤芯光纤光栅传感器。
背景技术
光纤光栅传感器(FBG)是准分布式光纤传感器的一种。布拉格(Bragg)光栅是一种在光纤中制成的折射率周期变化的光栅，周期不同其反射的光波长也不同。当这种带有布拉格光栅的光纤受到拉伸或压缩以及所处温度发生变化时，其周期发生变化，从而反射光的波长也改变，通过测量反射光波长的变化即可得知光纤所受的应变或所处的温度值。光纤Bragg光栅测量原理如图1所示。FBG传感可以测量物理的应变和温度，但是无法获得物体的位移形貌特征。
在隧道运营过程中，隧道洞口地质结构不稳定及易发生事故需进行隧道水平位移、及沉降监测，才能对该段结构情况有全面的了解，为高铁隧道安全监控提供数据依据。
申请号为CN201810820816.7的发明提供了一种隧道顶板沉降监测装置和隧道沉降监测方法。其中，隧道顶板沉降监测装置，包括：多个光纤光栅高差计，多个光纤光栅高差计沿隧道的顶板顺次排列，且至少一个光纤光栅高差计的高度高于其他的光纤光栅高差计的高度；连接管，光纤光栅高差计之间通过连接管连通；解调仪，光纤光栅高差计与解调仪连接，解调仪能够接收并处理光纤光栅高差计的监测数据。所述光纤光栅传感器为通信光纤中刻蚀光栅形成的商用器件，容易受到温度等外界扰动影响。
光纤监测可以做到不受电磁干扰影响，本质安全，易于组网和长距离传输，适用于铁路、公路行业的隧道安全监测需求。
本申请人在先前申请的公开号为CN104454007A的授权发明提供一种基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统，对井下温度、应变、振动同时进行测量。采用一根多纤芯光纤中不同的纤芯感知对温度、应变和振动等物理量，通过多纤芯分束器实现各物理量的分布式实时测量。本发明采用一根光纤即可用多传感器融合的方式综合评价煤矿井下健康状况，大大节省了光缆敷设成本，同时仅占用通信光缆的较少带宽，适用于恶劣环境的监测要求。
然而，在结构监测领域，普通的光纤光栅仅仅能够对结构体所受的应变信息进行连续、实时监测，并不能获取结构体的受力和受力作用后表面形貌及位移变化情况。
多纤芯光纤是近些年学术研究的热点之一，被应用于下一代大容量光通信，对于提高光通信传输带宽具有重大意义。在光纤传感上的应用目前还不是很多，目前在我国多纤芯光纤传感的工程应用并不多见，因此亟需一种四纤芯光纤光栅传感器，用于隧道、结构体曲率、表面形貌的实时监测。
发明内容
本发明提供了一种用于隧道表面形貌测量的四纤芯光纤光栅传感器，以解决上述背景技术中提出现有隧道结构体表面形貌难以准确监测的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于隧道表面形貌测量的四纤芯光纤光栅传感器，采用熔融石英制成的四芯光纤光栅结构；
用于将四芯光纤每一芯的光信号分配到独立的光纤光栅调节通道中的扇出系统；
以及用于将光栅应变信息读出的多通道光纤光栅解调仪。
优选的，四芯光纤的纤芯在光纤的截面上呈中心对称分布。
一种使用上述的一种四纤芯光纤光栅表面形貌测量传感器的检测方法，包括以下步骤：
S1、将一根含有四芯光纤光栅的光纤棒两端固定，中间部位通过一个调整架进行驱动，使光纤产生一定的弯曲形变量从而产生横向位移；
S2、四芯光纤每一芯的光信号通过扇出系统分配到一个独立的光纤光栅解调通道；
S3、光栅的应变信息通过光纤光栅解调仪读出。
优选的，四芯光纤中其中沿受力方向上的两芯光纤分别会收到拉应变和压应变的作用，其中弯曲变形量用下式表达：
Δε＝d/R＝(d/L)Δθ (1.2)
θ是光纤弯曲的角度，可以用下式表达：
θ＝L/R (1.3)
光纤产生的总体相位变化可以表达为：
对掺锗光纤(n+dn/dε)通常在1.159，因此有：
可以看出，当波长，四芯光纤中相同受力方向上两个光纤光栅距离固定后，光纤弯曲的角度只和相位有关。
其中ε1、ε2分别是光纤光栅产生的应变，d是两个光栅的距离，R是梁的曲率半径；
根据上式测量光纤在x，y轴上的弯曲量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过多纤芯分束器实现各物理量的分布式实时测量，采用一根光纤即可用多传感器融合的方式综合评价结构物的健康状况，大大节省了光缆敷设成本，同时可以实现远程监测组网，探测主机可以放置在距离传感器很远处，适用于恶劣现场环境的监测要求。
1、通过包含四个光纤光栅的光纤实现对隧道表面形貌变化的监测，整体传感器封装后体积小，重量轻，方便安装；
2、采用一根光纤中的不同纤芯即可实现多参数的分布式或点式测量，根据传感需求，组合灵活多变，一根光纤中的每一个纤芯即可测量一个物理量并且对光纤长度上该物理量的变化位置定位；
3、传感介质均在一根光纤内，器件在制备工艺过程一次成型，消除或减小了温度等环境影响，最大程度避免了系统误差；
4、传感结构紧凑，集成度高，有利于提高检测的精度，降低系统误差；最后，多芯光纤分束器将多纤芯光纤的不同纤芯采集的物理量传送到设计好的不同解调系统将多参量信息实时解调并送网络传输系统；
5、同一光纤内的不同纤芯可以完成不同监测量的分布式测量，根据监测需求，只需改变光源和解调系统，即可改变需要监测的物理量，灵活方便；
6、在四芯单模光纤中写入多个光纤布拉格光栅可实现隧道体形貌的分布式监测，定位隧道形貌发生变化的点；
7、方便和其他传感器进行组网，形成光纤监测网络，实现监控数据的远程传输、分析；
8、整体传感器采用一根光纤做传输传感介质，采用较少的通信带宽即可完成监测需求，降低了光缆敷设的成本和复杂性，节约了通信带宽。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为现有技术中光纤Bragg光栅测量原理图；
图2为本发明实施例中表面变形监测原理示意图；
图3为本发明实施例中测量表面形貌算法示意图；
图4为本发明实施例中采用二氧化硅棒制成的四芯光纤光栅结构；
图5为本发明实施例中光纤棒串联模拟测试的示意图；
图6为本发明实施例中传感器输出相位变化随光纤弯曲角度变化的关系图；
图7为本发明实施例中实验检测示意图。
在附图中：1、光纤收发器；2、扇出系统；3、固定块；4、调整架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供以下技术方案：一种用于隧道表面形貌测量的四纤芯光纤光栅传感器，采用二氧化硅制成的四芯光纤光栅结构，用于将四芯光纤每一芯的光信号分配到独立的光纤光栅调节通道中的扇出系统；以及用于将光栅应变信息读出的光纤光栅解调仪。
具体的，请参阅图4，四芯光纤的纤芯在光纤的截面上呈中心对称分布。
本实施例中，请参阅图7，将一根含有多芯光纤光栅的圆形棒两端通过固定块3固定在上，中间部位通过一个调整架4(可采用电动推杆)进行驱动，使光纤产生一定的弯曲形变量从而产生横向位移，横向位移的大小可以通过调整架的步进量控制，四芯光纤中其中沿受力方向上的两芯光纤分别会收到拉应变和压应变的作用。
本实施例中，如图2和图3所示，四芯光纤中其中沿受力方向上的两芯光纤分别会收到拉应变和压应变的作用，其中弯曲变形量可以用下式表达：
Δε＝d/R＝(d/L)Δθ (1.2)
θ是光纤弯曲的角度，可以用下式表达：
θ＝L/R (1.3)
光纤产生的总体相位变化可以表达为：
对掺锗光纤(n+dn/dε)通常在1.159，因此有：
可以看出，当波长，四芯光纤中相同受力方向上两个光纤光栅距离固定后，光纤弯曲的角度只和相位有关。
其中ε1、ε2分别是光纤光栅产生的应变，d是两个光栅的距离，R是梁的曲率半径；
根据上式测量光纤在x，y轴上的弯曲量。
如图2所示，其中ε1、ε2分别是光纤光栅产生的应变，d是两个光栅的距离，R是梁的曲率半径。
通过上述关系式，如果已知多芯光纤四芯光纤光栅的应变量，则可以测量光纤在x，y轴上的弯曲量，如果将该结构传感器固定在隧道上，可以实现隧道横向和纵向弯曲曲率的检测。
四芯光纤每一芯的光信号通过扇出系统2分配到一个独立的光纤光栅解调通道，光栅的应变信息可以通过光纤光栅解调仪1读出，具体实施方式可参考图5。
本方案可以应用于交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道，实现对隧道结构体曲率、表面形貌的实时监测，将多芯光纤中的光纤光栅串联复用，可监测应变、温度、振动等其他物理量，采用一根光纤即可用多传感器融合的方式获取结构体的健康状况，大大节省了光缆敷设成本，同时仅占用通信光缆的较少带宽，本质安全、不带电适用于恶劣环境的监测要求。
具体的，可以应用在物体形貌上，如图5所示，将包含有光纤光栅的四纤芯光纤缠绕在一个圆柱体的表面，在对应方向上受力的两个光纤光栅朝同一个方向分别受到拉应变和压应变，根据前文对形貌测量的描述，可以求出物体在该点处的曲率，进而得到形变量分布，光纤中的多点测量数据连接而成即可得到整个圆柱体的表面形貌分布情况，检测圆柱表面的形貌，通过检测出的曲率以及位置的数据，将这种圆柱形的表面把轨迹描出来，形貌即可检测出来。
具体的，如图6所示，传感器输出相位变化随光纤弯曲角度变化的关系。可以看出，带测量光纤弯曲角度变化时，输出的相位也随输入呈线性变化趋势。
本发明具有以下优点：
1、通过包含四个光纤光栅的光纤实现对隧道表面形貌变化的监测，整体传感器封装后体积小，重量轻，方便安装；
2、采用一根光纤中的不同纤芯即可实现多参数的分布式或点式测量，根据传感需求，组合灵活多变，一根光纤中的每一个纤芯即可测量一个物理量并且对光纤长度上该物理量的变化位置定位；
3、传感介质均在一根光纤内，受环境影响小，最大程度避免了系统误差；
4、传感结构紧凑，集成度高，有利于提高检测的精度，降低系统误差；最后，多芯光纤分束器将多纤芯光纤的不同纤芯采集的物理量传送到设计好的不同解调系统将多参量信息实时解调并送网络传输系统；
5、同一光纤内的不同纤芯可以完成不同监测量的分布式测量，根据监测需求，只需改变光源和解调系统，即可改变需要监测的物理量，灵活方便；
6、在四芯单模光纤中写入多个光纤布拉格光栅可实现隧道体形貌的分布式监测，定位隧道形貌发生变化的点；
7、方便和其他传感器进行组网，形成光纤监测网络，实现监控数据的远程传输、分析；
8、整体传感器采用一根光纤做传输传感介质，采用较少的通信带宽即可完成监测需求，降低了光缆敷设的成本和复杂性，节约了通信带宽。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。