阅读说明：本技术 一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统 (Multipoint serial distributed optical fiber displacement sensor and measuring system thereof ) 是由 董永康 徐金龙 巴德欣 李惠 于 2020-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统,将分布式传感光纤黏贴于变截面悬臂梁上下表面,形成位移传感器,利用变截面悬臂梁端部位移变化与其上下表面传感光纤应变变化之间的传感关系,实现对悬臂梁端部位移的测量。传感器的位移测量精度和量程可以调节,并且单个位移传感器可以实现多方向位移测量。本发明介绍的位移传感器可通过一根光纤进行多点串联,使用高空间分辨率长距离分布式光纤应变传感系统测量所有串联测点的位移变化,形成超多测点的长距离同步位移监测系统。本发明能够满足大型土木工程结构对长距离、超多测点和高精度的位移测量需求,并且造价成本合理,系统结构简单,便于实施。(The invention provides a multipoint tandem type distributed optical fiber displacement sensor and a measuring system thereof.A distributed sensing optical fiber is adhered to the upper surface and the lower surface of a variable cross-section cantilever beam to form a displacement sensor, and the displacement of the end part of the cantilever beam is measured by utilizing the sensing relation between the displacement change of the end part of the variable cross-section cantilever beam and the strain change of the sensing optical fiber on the upper surface and the lower surface of the variable cross-section cantilever beam. The displacement measurement precision and the measuring range of the sensor can be adjusted, and the single displacement sensor can realize multi-direction displacement measurement. The displacement sensor can be connected in series at multiple points through one optical fiber, and a high-spatial-resolution long-distance distributed optical fiber strain sensing system is used for measuring displacement changes of all series-connected measuring points, so that a long-distance synchronous displacement monitoring system with more than multiple measuring points is formed. The invention can meet the requirements of large civil engineering structure on long-distance, ultra-multiple measuring points and high-precision displacement measurement, and has the advantages of reasonable manufacturing cost, simple system structure and convenient implementation.)

一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统。

背景技术

土木工程结构的位移变化是其结构状态变化的重要表征，获取土木工程结构的位移信息对分析其结构力学行为，监测结构病害发展，评估结构安全状态具有重要意义。然而，土木工程结构具有体积大、距离长、构造复杂、关键位置多、位移变化小等特点，例如桥梁、隧道、铁路、公路、油气管线等结构在设计服役期内全长范围内都有可能产生结构病害，并且结构病害早期表现出的位移变化通常为毫米量级。因此，在进行土木工程结构安全监测时，位移监测点数量越多、覆盖距离越长、测量精度越高，越容易尽早发现结构病害，越有利于及时采取整治和维护措施，越能够有效降低结构安全风险。

目前，土木工程结构安全监测中常用的位移传感器主要有以下几种类型：光纤光栅位移传感器、拉线式位移传感器、LVDT位移传感器和激光位移传感器等。例如发明专利CN108955540A中介绍的一种光纤光栅位移传感器，以光纤光栅为传感元件，使用机械连杆装置，将被测位移转化成光纤光栅的应变变化，通过测量光纤光栅的应变信号实现对位移的测量。再例如实用新型专利CN204831201U中介绍的一种级联混合式拉线位移传感器，使用拉线和齿轮传动装置，将被测位移转化成内部角度传感器的信号变化，基于二者之间的线性关系实现对位移的测量。上述多种位移传感器的共同缺点是无法在合理的成本容许范围内形成超长距离且超多测点的位移测量系统，无法满足土木工程结构监测对大量关键位置的位移信息获取的需求。

例如，对于拉线式位移传感器、LVDT位移传感器和激光位移传感器，通常每一个传感器需要单独配备一根数据传输线与数据采集仪连接，并占用一个数据采集通道，由于仪器数据采集通道数量的限制，可接入的传感器数量较少。另外，随着传感器覆盖距离的增加，数据传输线的总长度将以传感器数量为基数成倍的增加，传感信号的传输损耗也会随之增加，导致其在实际土木工程监测中组成超长距离且超多测点的位移测量系统的可操作性和总造价成本均不合理。

对于光纤光栅位移传感器，虽然可以通过一根光纤将多个传感器进行串联，并同时进行数据采集，但是一根光纤可串联的光栅数量有限，一般不超过几十个。另外，由于光纤光栅位移传感器之间需要通过光纤熔接或法兰盘对接等方式进行连接，每个连接点都会产生一定程度的光信号传输损耗，随着传感器数量的增加，光纤连接点数量也随之增加，将累计产生显著的信号衰减，进一步限制了光纤光栅位移传感器可串联的数量。另外，光纤光栅传感器成本较高，除了精密的机械传动装置，还需要在光纤上刻制光栅，大量使用会导致位移监测系统总成本过高而不符合工程监测的合理成本要求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有土木工程结构监测中位移传感系统测点数量少、覆盖距离短、多测点成本过高等问题，提出了一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种多点串联式分布式光纤位移传感器，包括1根分布式应变传感光纤1、胶黏剂2、n个变截面悬臂梁3、2个悬臂梁基座4、n个量程垫板5和2个固定底座6；n为大于等于1的正整数；所述分布式应变传感光纤1通过胶黏剂2黏贴于变截面悬臂梁3的上下表面，所述变截面悬臂梁3的根部与一个悬臂梁基座4固定，端部搭接到另一个悬臂梁基座4上，并且端部与另一个悬臂梁基座4之间通过量程垫板5垫高，2个所述悬臂梁基座4分别通过对应的所述固定底座6与被测结构固定。

进一步地，所述变截面悬臂梁3的悬挑部分的几何形状为三角形板状，板厚度t为常数，且在悬挑长度x位置的截面宽度b(x)需满足b(x)＝k(L-x)，其中k为常数，L为变截面悬臂梁3悬挑部分的总长度。

进一步地，所述分布式应变传感光纤1使用胶黏剂2沿直线粘贴于变截面悬臂梁3的上下表面，具***置为变截面悬臂梁3悬挑部分三角形板的端部顶点至底边的垂直线，所述分布式应变传感光纤1与变截面悬臂梁3协调变形。

进一步地，所述变截面悬臂梁3的端部搭接在量程垫板5上，搭接位置距变截面悬臂梁3的端部顶点的长度dL以不超过变截面悬臂梁3悬挑长度L的5％为宜，即dL≤0.05L。

进一步地，所述分布式光纤位移传感器的位移测量灵敏系数k_d为常数，表达式为k_d＝|ε_t-ε_b|/w，其中w代表变截面悬臂梁3端部与量程垫板5搭接位置在垂直于变截面悬臂梁3方向上的位移变化量，ε_t代表变截面悬臂梁3上表面的分布式应变传感光纤1的应变变化量，ε_b代表变截面悬臂梁3下表面的分布式应变传感光纤1的应变变化量，ε_t和ε_b的应变符号相反，|ε_t-ε_b|代表变截面悬臂梁3上下表面的分布式应变传感光纤1的应变变化量的总和；在已知k_d时，通过测量|ε_t-ε_b|，并依据关系w＝|ε_t-ε_b|/k_d计算得到分布式光纤位移传感器的w的变化，实现位移测量。

进一步地，所述分布式光纤位移传感器的位移测量灵敏系数k_d与变截面悬臂梁3的几何参数之间的关系式为k_d＝(t+d)/(L-dL)²，其中t代表变截面悬臂梁3悬挑部分三角板的厚度，d代表分布式应变传感光纤1的直径，L为变截面悬臂梁3悬挑部分的总长度，dL为搭接位置距变截面悬臂梁3的端部顶点的长度，所述分布式光纤位移传感器可以通过调整t、d、L、dL四项参数定制位移测量灵敏系数k_d。

进一步地，所述分布式光纤位移传感器在初始状态时，2个悬臂梁基座4与变截面悬臂梁3的接触面处于相同水平高度，通过量程垫板5将变截面悬臂梁3的端部垫高，即变截面悬臂梁3端部与量程垫板5的搭接位置在初始状态时翘起高度等于量程垫板5的厚度。

进一步地，所述分布式光纤位移传感器的量程为s＝(d₁,d₂)，其中d₁＝-t_d，d₂＝max(|ε_t-ε_b|)/k_d，t_d代表量程垫板5的厚度，max(|ε_t-ε_b|)代表在相对正位移方向上变截面悬臂梁3上下表面的分布式应变传感光纤1相对于初始状态的最大应变变化量总和，max(|ε_t-ε_b|)由变截面悬臂梁3的材料的弹性应变极限决定，k_d为分布式光纤位移传感器的位移测量灵敏系数，可以通过调整t_d、max(|ε_t-ε_b|)和k_d三项参数定制传感器量程。

本发明还提出一种多点串联式分布式光纤位移传感器测量系统，所述测量系统包括多个所述的多点串联式分布式光纤位移传感器，多个所述分布式光纤位移传感器组成测量系统的方式为多个分布式光纤位移传感器通过一根分布式应变传感光纤1依次串联，所有串联的分布式光纤位移传感器上的分布式应变传感光纤1形成一条完整的光纤环路，并接入高空间分辨率分布式光纤应变测量系统，通过高空间分辨率分布式光纤应变测量系统测量整条分布式应变传感光纤1的应变分布变化，同时获取每个串联的分布式光纤位移传感器变截面悬臂梁3上下表面的分布式应变传感光纤1的应变变化，依据变截面悬臂梁3上下表面的应变变化与变截面悬臂梁3端部搭接位置的位移变化量之间的线性关系获得每个分布式光纤位移传感器的位移测量结果，形成一套多点串联式分布式光纤位移测量系统。

进一步地，所述高空间分辨率分布式光纤应变测量系统为具有高空间分辨率的布里渊时域分析系统、具有高空间分辨率的布里渊频域分析系统或具有高空间分辨率的瑞利光频域反射系统；所述具有高空间分辨率的布里渊时域分析系统包括差分双脉冲布里渊时域分析系统和预泵浦脉冲布里渊时域分析系统。

本发明的有益效果为：多个分布式光纤位移传感器可通过一根分布式传感光纤进行串联，形成一条完整的光信号通路，利用光纤信号的超低信号传输损耗和分布式光纤应变传感技术的超长传感距离、分布式测量、高耐久性、高空间分辨率等优点，实现位移测量的超长距离覆盖和超多测点的信息获取。并且，每一个分布式光纤位移传感器可根据监测目标需要进行位移测量方向、数量、量程、位移灵敏度的定制，具有优异的工程结构适应性，可广泛应用于大型土木工程结构位移监测的多种相关领域。另外，所有串联的位移传感器仅占用一条数据采集通道，可实现同步测量，系统结构简单，可扩展性好，是能够满足大型土木工程结构长距离、多测点、高精度位移测量的需求的位移传感器，并且整体造价成本合理，串联式系统结构简单，免温度补偿，可实现同步测量，传感器的位移测量精度和量程可以定制和调节。

附图说明

图1为本发明所述的一种多点串联式分布式光纤位移传感器针对单方向位移测量的结构示意图；

图2为本发明所述的一种多点串联式分布式光纤位移传感器针对双方向位移测量的结构示意图；

图3为本发明所述的一种多点串联式分布式光纤位移传感器测量系统的结构示意图。

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。

结合图1-图3，本发明提出一种多点串联式分布式光纤位移传感器，包括1根分布式应变传感光纤1、胶黏剂2、n个变截面悬臂梁3、2个悬臂梁基座4、n个量程垫板5和2个固定底座6；n为大于等于1的正整数；所述分布式应变传感光纤1通过胶黏剂2黏贴于变截面悬臂梁3的上下表面，所述变截面悬臂梁3的根部与一个悬臂梁基座4固定连接，连接方式可以是使用胶黏剂2或螺栓加螺母连接；端部搭接到另一个悬臂梁基座4上，并且端部与另一个悬臂梁基座4之间通过量程垫板5垫高，2个所述悬臂梁基座4分别通过对应的所述固定底座6与被测结构固定。分布式光纤位移传感器的位移测量机理为利用变截面悬臂梁3端部位移变化与其上下表面应变变化之间的线性关系，通过测量分布式应变传感光纤1的应变变化进而测量变截面悬臂梁3端部的位移变化，实现位移测量。

一个分布式光纤位移传感器可以同时测量n个方向的位移。当n＝1时，位移传感器可以测量1个方向(变截面悬臂梁3所在平面的垂直方向)的位移变化；当n＝2时，位移传感器可以测量2个方向(两个变截面悬臂梁3各自所在平面的垂直方向)的位移变化；以此类推，根据目标位移方向的数量可以继续增加变截面悬臂梁3和量程垫板5的数量，使单个分布式光纤位移传感器可以测量的位移方向数量增加。

当进行单向位移测量时，变截面悬臂梁3和量程垫板5的数量均为1个(如图1所示)，测试位移传感器仅可以测量与变截面悬臂梁3垂直方向的位移。当进行双方向位移测量时，位移传感的结构改变为如图2所示，传感器基本结构不变，产生变化之处在于增加了变截面悬臂梁3至2个，分别固定于悬臂梁基座4的两个表面，与之对应的量程垫板5的数量也增加至2个，固定于另一侧悬臂梁基座4的两个表面，并将对应的变截面悬臂梁3端部垫高。此时位移传感器可以测量与两个变截面悬臂梁3垂直的位移方向，即可以进行双方向位移测量。以此类推，可以通过增加变截面悬臂梁3和量程垫板5的数量，同时对应增加悬臂梁基座4面的数量，进一步增加位移传感器可测量的位移方向的数量。

所述分布式光纤位移传感器所使用的分布式应变传感光纤1为单模非保偏石英光纤或单模保偏石英光纤。

所述分布式光纤位移传感器所使用的胶黏剂2为丙烯酸酯胶黏剂、环氧树脂胶黏剂或紫外光固化胶黏剂。

所述变截面悬臂梁3的悬挑部分的几何形状为三角形板状，板厚度t为常数，且在悬挑长度x位置的截面宽度b(x)需满足b(x)＝k(L-x)，其中k为常数，L为变截面悬臂梁3悬挑部分的总长度。

所述分布式应变传感光纤1使用胶黏剂2沿直线粘贴于变截面悬臂梁3的上下表面，具***置为变截面悬臂梁3悬挑部分三角形板的端部顶点至底边的垂直线，所述分布式应变传感光纤1与变截面悬臂梁3协调变形。

所述变截面悬臂梁3的端部搭接在量程垫板5上，搭接位置距变截面悬臂梁3的端部顶点的长度dL以不超过变截面悬臂梁3悬挑长度L的5％为宜，即dL≤0.05L。

所述分布式光纤位移传感器的位移测量灵敏系数(简称传感器灵敏系数)定义为当变截面悬臂梁3端部与量程垫板5搭接位置发生垂直于变截面悬臂梁3方向的单位位移变化时，引起的变截面悬臂梁3上下表面的分布式应变传感光纤3的应变变化量的总和，所述分布式光纤位移传感器的位移测量灵敏系数k_d为常数，表达式为k_d＝|ε_t-ε_b|/w，其中w代表变截面悬臂梁3端部与量程垫板5搭接位置在垂直于变截面悬臂梁3方向上的位移变化量，ε_t代表变截面悬臂梁3上表面的分布式应变传感光纤1的应变变化量，ε_b代表变截面悬臂梁3下表面的分布式应变传感光纤1的应变变化量，ε_t和ε_b的应变符号相反，|ε_t-ε_b|代表变截面悬臂梁3上下表面的分布式应变传感光纤1的应变变化量的总和；在已知k_d时，通过测量|ε_t-ε_b|，并依据关系w＝|ε_t-ε_b|/k_d计算得到分布式光纤位移传感器的w的变化，实现位移测量。

所述分布式光纤位移传感器的位移测量灵敏系数k_d与变截面悬臂梁3的几何参数之间的关系式为k_d＝(t+d)/(L-dL)²，其中t代表变截面悬臂梁3悬挑部分三角板的厚度，d代表分布式应变传感光纤1的直径，L为变截面悬臂梁3悬挑部分的总长度，dL为搭接位置距变截面悬臂梁3的端部顶点的长度，所述分布式光纤位移传感器可以通过调整t、d、L、dL四项参数定制位移测量灵敏系数k_d。

所述分布式光纤位移传感器在初始状态时，2个悬臂梁基座4与变截面悬臂梁3的接触面处于相同水平高度，通过量程垫板5将变截面悬臂梁3的端部垫高，即变截面悬臂梁3端部与量程垫板5的搭接位置在初始状态时翘起高度等于量程垫板5的厚度。

定义使变截面悬臂梁的悬挑部分恢复为平面的位移方向为相对负位移方向，使变截面悬臂梁的悬挑部分翘起的位移方向为相对正位移方向，所述分布式光纤位移传感器的量程(简称为传感器量程)为s＝(d₁,d₂)，其中d₁＝-t_d，d₂＝max(|ε_t-ε_b|)/k_d，d₁为负实数，代表相对负位移测量量程，d₂为正实数，代表相对正位移测量量程，t_d代表量程垫板5的厚度，max(|ε_t-ε_b|)代表在相对正位移方向上变截面悬臂梁3上下表面的分布式应变传感光纤1相对于初始状态的最大应变变化量总和，max(|ε_t-ε_b|)由变截面悬臂梁3的材料的弹性应变极限决定，k_d为分布式光纤位移传感器的位移测量灵敏系数，可以通过调整t_d、max(|ε_t-ε_b|)和k_d三项参数定制传感器量程。所述位移传感器所使用的变截面悬臂梁3的材料需要具有良好的弹性，包括聚碳酸酯塑料、聚甲基丙烯酸甲酯塑料及其改性塑料，也包括铁、铝、铜、钛及其合金材料。

本发明还提出一种多点串联式分布式光纤位移传感器测量系统，如图3所示，所述测量系统包括多个所述的多点串联式分布式光纤位移传感器，多个所述分布式光纤位移传感器组成测量系统的方式为多个分布式光纤位移传感器通过一根分布式应变传感光纤1依次串联，所有串联的分布式光纤位移传感器上的分布式应变传感光纤1形成一条完整的光纤环路，并接入高空间分辨率分布式光纤应变测量系统，通过高空间分辨率分布式光纤应变测量系统测量整条分布式应变传感光纤1的应变分布变化，同时获取每个串联的分布式光纤位移传感器变截面悬臂梁3上下表面的分布式应变传感光纤1的应变变化，依据变截面悬臂梁3上下表面的应变变化与变截面悬臂梁3端部搭接位置的位移变化量之间的线性关系获得每个分布式光纤位移传感器的位移测量结果，形成一套多点串联式分布式光纤位移测量系统。

所述高空间分辨率分布式光纤应变测量系统为具有高空间分辨率的布里渊时域分析系统(BOTDA)、具有高空间分辨率的布里渊频域分析系统(BOFDA)或具有高空间分辨率的瑞利光频域反射系统(OFDR和OBR)；所述具有高空间分辨率的布里渊时域分析系统包括差分双脉冲布里渊时域分析系统(DPP-BOTDA)和预泵浦脉冲布里渊时域分析系统(PPP-BOTDA)，所使用的分布式光纤应变测量系统以空间分辨率优于20cm，采样间隔不大于5cm为宜。所述分布式应变传感光纤1的熔接点或连接点的数量应尽量少，在需要弯曲的位置，光纤弯曲半径应尽量大，以降低光信号传播损耗，提升系统可覆盖的传感距离。

在进行实际工程监测时，应依据工程结构的具体要求，确定监测目标所需的位移测量精度、位移量程和位移方向数量。首先，依据位移测量精度要求，确定位移传感器的变截面悬臂梁3的几何尺寸，二者的关系为k_d＝(t+d)/(L-dL)²，其中k_d代表传感器灵敏系数，t代表变截面悬臂梁3悬挑部分三角板的厚度，d代表分布式应变传感光纤1的直径，L为变截面悬臂梁3悬挑部分的总长度，dL为搭接位置距变截面悬臂梁3的端部顶点的长度。k_d直接决定了位移测量精度，即分布式光纤位移传感器可以通过调整t、d、L、dL四项参数定制传感器位移测量精度。第二，依据位移测量量程要求，确定变截面悬臂梁3的材料和量程垫板5的厚度。分布式光纤位移传感器的量程(简称为传感器量程)为s＝(d₁,d₂)，其中d₁＝-t_d，d₂＝max(|ε_t-ε_b|)/k_d，d₁为负实数，代表相对负位移测量量程，d₂为正实数，代表相对正位移测量量程，t_d代表量程垫板5的厚度，max(|ε_t-ε_b|)代表在相对正位移方向上变截面悬臂梁3上下表面的分布式应变传感光纤1相对于初始状态的最大应变变化量总和，max(|ε_t-ε_b|)由变截面悬臂梁3的材料的弹性应变极限决定，k_d为传感器灵敏系数。因此，可以通过调整t_d、max(|ε_t-ε_b|)和k_d三项参数(即变截面悬臂梁3的材料和量程垫板5的厚度)定制传感器量程。第三，依据位移测量方向数量的要求，确定变截面悬臂梁3和量程垫板5的数量，并合理调整悬臂梁基座4面的数量和方向，使变截面悬臂梁3与测量目标位移方向垂直，进行相应的位移测量。

以上对本发明所提供的一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。