基于FBG倾角传感器的分布式测斜技术及其在边坡抗滑桩中的应用研究

李 贝，张大伟，李公法，郭永兴，孙 瑛，孔建益，蒋国璋

(1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081；2.上海航天精密机械研究所，上海,201600)



基于FBG倾角传感器的分布式测斜技术及其在边坡抗滑桩中的应用研究

李 贝，张大伟，李公法，郭永兴，孙 瑛，孔建益，蒋国璋

(1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081；2.上海航天精密机械研究所，上海,201600)

提出一种基于新型测斜管和FBG倾角传感器的新型分布式测斜方法。该方法采用柔性变形管与PVC刚性管相连接的改进型测斜管，选取具有增敏结构的新型FBG倾角传感器作为分布式测斜装置的高精度传感器，并利用光纤光栅温度传感器作为温度补偿传感器。在边坡抗滑桩中的实际应用结果表明，基于FBG倾角传感器的新型分布式测斜技术在工程应用中具有有效性，并可成功解决测量中的温度补偿问题。

边坡工程；测斜；光纤Bragg光栅(FBG)；倾角传感器；抗滑桩

对边坡内部变形实施长期、实时的监测，掌握其内部变形规律，在边坡地质灾害的预防中有着十分重要的意义。倾斜测量是边坡监测中一种常用的方法。传统的倾斜测量大多采用刚性管埋入被测边坡，通过刚性管内部安置的传感器周期性地获取边坡的变形数据。这种方法采用的刚性管存在制作成本高、内部传感器安装排布困难、不能进行远程监控等问题，因此有必要对其进行改进。

传统的倾斜测量装置中采用的倾角传感器是以电磁效应、电容效应[1]等为基本原理，将摆锤的倾斜变形转换为电信号的输出，其技术较为成熟，可达到较高的精度与分辨率。然而这种弱电形式的传感器输出信号极易受到电磁干扰的影响，不可远距离传输，存在恶劣环境下的适用性问题。基于光纤光栅传感技术的倾斜测量依托光纤光栅自身抗电磁干扰性强、可靠性好、耐高温、耐腐蚀、化学性质稳定、结构简单、易构成传感网络等优越特性，在边坡倾斜测量中得到了越来越广泛的应用[2-4]。Bimis等[5]将光纤光栅传感技术用于边坡的室内模型试验和现场实际监测，取得了较好的效果。胡志新、陈朋超等[6-7]通过将光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)粘贴在测斜管内研制了新型应变管，完善了基于光纤光栅传感原理的相关边坡测斜系统，通过使用传统测斜仪进行对照监测，结果表明基于FBG的测斜技术相比传统倾斜测量有更好的效果。

本文设计一种新型测斜管，同时选用合适的FBG倾角传感器，构建了新型的分布式测斜方法，并将其应用于边坡抗滑桩中，以验证该方法在工程应用中的有效性。

1 基于FBG倾角传感器的新型分布式测斜方法

1.1 测斜装置结构及工作原理

边坡内部的倾斜测量，主要是将边坡内部沿深度方向不同深度处水平位移的形变量转化为光纤光栅的波长漂移。

基于FBG倾角传感器的新型分布式测斜装置结构示意图如图1所示。整个测斜系统主要由柔性变形管、PVC刚性管、FBG倾角传感器和FBG温度补偿传感器组成。将柔性变形管与PVC刚性管通过螺栓联结在一起，形成刚柔相间的新型测斜管。多个FBG倾角传感器和FBG温度补偿传感器分别串接后一一配对，通过螺栓固定在柔性变形管内部，在最上方的管口处引入和引出光缆。最底部的第一段PVC管作为固定端固定在边坡底部，其上方的第一个柔性变形管内不布置传感器，从底部起第二个柔性变形管上开始布置传感器。

当边坡内部发生位移形变时，柔性变形管作为主要的弯曲受力体，其内部的FBG倾角传感器测量出柔性变形管由于弯曲带来的角度变化值，从而直接反映出外界边坡的形变情况，改变了传统的将FBG传感器直接粘贴在联接体上的结构设计，可以避免光栅由于应变分布不均导致光谱啁啾或应变过大导致光栅被拉断。同时，每一个FBG倾角传感器都配备有一个FBG温度传感器进行温度补偿，以提高整体的测量精确度。最后通过从外部连接的光纤光栅波长解调仪读取FBG倾角传感器的波长变化情况，反推出测斜装置角度的整体变化情况，即可计算出边坡内部整体变形分布情况。

图1 基于FBG倾角传感器的分布式测斜装置结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of structure of FBG tilt sensor-based distributed inclination device

1.2 FBG倾角传感器的选择

由于本文提出的分布式测斜方法是基于柔性变形管的变形所得出的结果，需要较为精确地测量出柔性变形管的角度变化，才能保证最后边坡变形分布预测结果的准确性，因此需要选择一种适合这种测斜方法的高精度倾角传感器。

图2所示为目前常见的几种FBG倾角传感器。Ferdinand等[8]将3个FBG对称地张拉在固定端和摆锤之间(见图2(a))，当倾角发生变化时光纤光栅会伸长或缩短，拉力的变化会导致光纤光栅的波长发生变化，从而可以通过测量3根光纤光栅的中心波长变化来计算倾角的变化。Dong等[9]将3个FBG分别预拉后粘贴在3个等强度梁上，将一个圆心固定的带摆锤的圆盘通过3根线悬挂在等强度梁下方(见图2(b))，当外界角度发生变化时，圆盘的摆动会使3个FBG发生不同程度的拉力变化，通过计算3根光纤光栅的中心波长变化即可推导倾角的大小与方向变化。Chen等[10]将铁球与预拉后的光纤光栅直接相连并封装在铝盒中(见图2(c))，当倾角变化时，铝盒内的铁球由于重力作用会发生滑动，一端FBG的拉伸增加，另一端FBG的拉伸减小，进而通过测量2根光纤光栅中心波长的变化量计算出倾角的变化量。

以上3种FBG倾角传感器都是将FBG直接或间接地悬挂拉伸，光纤光栅长时间处于悬空的拉伸绷紧状态，没有得到很好的封装和保护，很容易受潮脆裂，当瞬时倾斜较大时极易导致其拉断。为此，章易坤等[11]将一根FBG经预拉伸后，两端的光纤固定于凸台上，刻有光栅的部分位于凸台之间并将重物分割为两部分分别粘贴固定于梁的正反面(见图2(d))，当传感器发生角度变化时，由于重物的重力作用，将带动梁的弯曲，凸台上被张拉的光纤光栅受到的拉力将增大或者减小，进而改变光纤光栅反射的中心波长。这种利用等强度梁设计的增敏式倾角传感器在量程、灵敏度、重复性以及蠕变性能上都有很大的优势。为此，本文提出的新型分布式测斜装置中即选用这种增敏式倾角传感器。

(a) (b)

(c) (d)

图2 几种不同结构的FBG倾角传感器

Fig.2 FBG tilt sensors with different structures

1.3 边坡整体变形的推导

新型分布式测斜装置测量边坡整体变形的工作原理简图如图3所示。整个测斜装置共使用i个FBG传感器、i+1个长度可忽略不计的柔性变形管和i+1个长度为L的PVC管。假设第i+1段柔性变形管弯曲变形带来的倾角变化为θi，则第i+1段 PVC管顶端的变形位移为：

Di=d1+d2+…+di=

L(sin θ1+sin θ2+…+sin θi)

式中：di为第i+1段PVC管的个体变形位移，Di为包括i+1段的所有PVC管的整体变形位移。

这样即可得到每个安装FBG倾角传感器的测点的变形位移，由此绘制出测斜管的水平位移随深度的变化曲线，从而掌握边坡内部的位移变化情况。

图3 新型测斜装置工作原理简图

Fig.3 Working principle diagram of the new-type inclino-meter device

2 FBG分布式测斜技术在边坡抗滑桩中的应用

2.1 工程概况

图4所示为永吉高速公路某段边坡的实地照片。由于附近山体土质松软，为了防止开山修路对山体造成较大的影响，故需要在边坡上修建抗滑桩来减缓山体的运动。为对边坡实施监测，将基于FBG的分布式测斜装置安装在边坡抗滑桩内部，实时监测抗滑桩的变形情况，从而对边坡的整体变形作出预测和判断。

图4 永吉高速古丈段边坡照片

Fig.4 Photo of the slope in Guzhang section of Yongzhou-Jishou Highway

2.2 抗滑桩内测斜装置的布置与安装

首先将FBG倾角传感器和FBG温度补偿传感器分别串联后一一配对固定在传感器外壳中(见图5)，在地面上将其固定在柔性变形管中，其余部分的安装在抗滑桩深井内完成。

图5 安装完成的传感器单元体

由于抗滑桩深度较大(33 m)，故将PVC管用绳索一根一根地放入抗滑桩，与柔性变形管交替安装。PVC管用铁丝固定在抗滑桩内的钢筋上，柔性变形管套在PVC管内部。抗滑桩内测斜装置的整体布置图如图6所示。

图6 抗滑桩内测斜装置的布置图

Fig.6 Arrangement of the inclinometer device in anti-sliding pile

在所有的装置都安装完毕后，使用红光笔确认光纤的完整程度，若在光纤尾端可以看到红光笔的光线，则确认其结构良好。整个测斜装置安装后，需要在抗滑桩内灌浆，使测斜装置与岩体紧密结合以保证测量精度。安装完毕，将管口的引入光纤和引出光纤连接外部的光纤光栅波长解调仪和计算机，通过计算机读取每个FBG的波长。测斜装置的信号获取过程如图7所示。

由于这种光纤光栅倾角传感器的蠕变性能良好，可以根据光纤光栅波长解调仪获取波长变化情况，通过计算机对波长分析可知，波长的变化值在很小的范围内波动。在对数据进行分析时，取其波动变化的平均值。各传感器光栅阵列的光谱分别如图8和图9所示。

图7 信号获取过程

图8 倾角传感器的16个光栅阵列的光谱

Fig.8 Spectrums of 16 grating arrays in optical fiber grating tilt sensor

图9 温度传感器的16个光栅阵列的光谱

Fig.9 Spectrums of 16 grating arrays in optical fiber grating temperature sensor

2.3 监测结果与分析

采用基于FBG倾角传感器的分布式测斜装置对边坡不同深度处的水平位移进行监测，监测到的数据为边坡在深度-1～-33 m(步长为2 m)的水平位移量，由于深度为-33 m处的测斜管固定在边坡上，故其水平变形量为0 mm，其他数据都以其为基准，水平位移量为正时，表示此处边坡向下滑移。图10所示为在2015年11月6日、2015年12月1日、2015年12月8日和2016年1月7日所测得的边坡位移的变化曲线。由图10中可以看出，边坡表层0～-9 m出现了正的水平位移，表明此处边坡出现了滑移。该监测结果与现场实际情况相一致，表明本文提出的测斜方法具有有效性。监测数据中，在深度为-5 m处，2015年11月6日监测获得正的水平位移，而在2015年12月1日、2015年12月8日以及2016年1月7日监测获得负的水平位移，这可能是由于测量初期混凝土收缩导致的。在深度为-23 m处出现了水平位移量的异常点，异常在2015年12月1日、2015年12月8日的两次监测中出现，但是在2016年1月7日测试后又恢复正常，监测过程中此处的形变量较大，产生的原因还有待进一步的监测。综上所述，利用这种改进型的测斜管进行倾斜测量时，可以有效地监测到边坡内部不同深度的位移量，从而更加清楚地了解边坡内部的变化情况，进行实时监测。

图10 光纤光栅倾角传感器测得的边坡位移变化曲线

Fig.10 Variation curve of the slope displacement measured by FBG tilt sensor

3 结语

本文针对传统的光纤光栅测量方法中刚性管制作成本高、内部传感器安装排布困难以及不能进行远程监控等问题对传统的光纤光栅测斜装置进行了改进，利用光纤光栅倾角传感器的原理和边坡结构特点设计了一种新型测斜管，构建了分布式测斜方法，并将其应用于边坡抗滑桩中，对边坡内部进行实时监测，成功地监测到了边坡内部不同深度处的位移量及边坡滑移位置，与现场实际情况相一致，验证了基于FBG倾角传感器的分布式测斜技术在边坡测斜中的有效性。

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[11]章易坤，郭永兴，李公法. 一种增敏结构的FBG倾角传感器研究[J]. 光电子·激光，2016, 27(3):253-258.

[责任编辑 郑淑芳]

Research of distributed inclination survey technology and its application inslope anti-sliding pile based on FBG tilt sensor

LiBei1,ZhangDawei2,LiGongfa1,GuoYongxing1,SunYing1,KongJianyi1,JiangGuozhang1

(1.College of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;2. Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China)

In order to resolve the error of traditional FBG measurement, a new distributed inclination method that is based on new-type inclination tube and fiber Bragg grating (FBG) tilt sensor is proposed. The method uses improved inclination tube whose flexible deformation tube is connected to the PVC rigid tube. A new FBG tilt sensor with enhanced sensitivity structure is chosen as the high precision tilt sensor of the distributed inclination technology, and the fiber grating temperature sensor is used as the temperature compensation sensor. The application of the technology in the slope anti-sliding pile shows that this FBG inclination sensor-based technology is feasible and effective in engineering, and can successfully solve the problem of temperature compensation in the measurement.

slope engineering; inclination survey; FBG; tilt sensor; anti-sliding pile

2016-07-20

国家自然科学基金资助项目(51605348，51575407)；中国博士后科学基金资助项目(2015M572209).

李 贝(1990-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail:1198413210@qq.com

李公法(1979-)，男，武汉科技大学教授，博士.E-mail:ligongfa@wust.edu.cn

TP212.9; U213.1+3

A

1674-3644(2016)06-0450-05