基于OTDR的分布式光纤微弯传感系统设计

龚冬梅, 孙小芳, 何惠如, 王燕琼

(华侨大学 信息科学与工程学院, 福建 厦门 361021)

光纤传感技术在很多工程领域已得到广泛应用,而分布式光纤传感系统[1-4]是研究最多的光纤传感技术,比如应用于桥梁、建筑、水利工程和崩塌滑坡岩土灾害的安全监测[5-9]。但现有光纤传感技术的实验教学存在与工程应用相脱节的现象,教学实验仪器主要集中在基本原理的验证方面,不能进行工程应用模拟实验。为此,本文开发了分布式光纤微弯传感系统实验平台,可用于工程结构破坏监测模拟实验和教学。

光时域反射仪(OTDR)是利用光脉冲在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射而制成的精密光电一体化仪表,它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中,可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。本实验系统以OTDR为主要仪器,结合岩土工程应用,设计了混凝土路面塌陷监测、崩塌滑坡岩土灾害监测2个岩土工程应用项目。光纤微弯传感系统可检测模拟建筑墙体的下沉位移量和岩土滑坡引起的局部位移量,并可同时进行多点多传感器监测实验,具有明显工程应用特点。实验平台将光纤传感技术工程应用实践搬进实验室,提高了学生应用所学专业知识的能力。

1 系统总体设计

分布式光纤微弯传感系统实验平台设计目标是: 应用OTDR的分布式光纤衰减测量功能,采用光纤微弯传感器对岩土工程结构破坏进行分布式监测[10-13],得到结构的局部破坏位移量。实验平台可模拟混凝土路面塌陷监测、崩塌滑坡岩土灾害监测2个工程应用项目。工程结构破坏通过底部抽板形成局部塌陷进行实验,改变抽板厚度使结构体产生不同局部位移,位移量通过光纤微弯传感器检测。

分布式光纤传感实验系统总体结构如图1所示,主要由OTDR、光纤传感器、岩土结构体、标准光纤、延时光纤、尾纤、重物、抽板和计算机组成。系统中的标准光纤、延时光纤、尾纤以及光纤传感器所用光纤均为渐变型多模光纤(GIF)。分布式光纤传感采用多传感器串联检测方法,可以在一条光纤上串联多个光纤传感器,图1中串联了2个光纤传感器,即光纤传感器1#和光纤传感器2#。OTDR与光纤传感器1#之间采用一定长度的标准光纤过渡,以免受光纤入射端面的反射光影响。光纤传感器1#与光纤传感器2#之间设置一段延时光纤,使2个传感器可以分别测量不同位置的岩土结构形变,并且在OTDR显示曲线中可以分开识别。光纤传感器2#的后端接入一定长度的尾纤,可以减小光纤末端端面的反射光影响。实验系统可以只用1个光纤传感器单点监测,也可以将多个光纤传感器用延时光纤串联起来进行多点监测实验。

图1 分布式光纤传感实验系统的总体结构示意图

图1中的岩土结构体是指进行实验而模拟的工程结构体,系统配置了混凝土路面和岩土山坡2个岩土结构体。模拟工程结构破坏程度是通过图1中的抽板厚度变化来实现的。重物用于研究岩土结构体的承重能力。计算机用于处理OTDR检测到的光衰减数据,通过建立光衰减量与工程结构形变量的关系,采用软件编程进行数据处理。

2 系统具体实现

2.1 光纤传感器

光纤传感器采用套管式微弯传感器,如图2所示。套管为金属材料,光纤为带尼龙护套(外径0.9 mm)的多模光纤。将多个金属套管串联形成套管链条,光纤从套管链条轴线上穿过。当套管链条局部受到外部压力时产生局部移位,其内的光纤就产生微弯变形,出现微弯衰减,成为光纤微弯传感器。将套管链条埋设于岩土结构体中,初始状态尽量使套管与套管之间形成一条直线,此时光纤传感器没有衰减。当结构体变形时,将引起套管的位移,使光纤产生微弯衰减。结构体变形量、光纤微弯曲率半径和光纤衰减量的关系是实验系统平台的主要研究和实验内容。

图2 套管式微弯传感器原理图

设光纤只在平面内产生微弯,并且其微弯的曲率形状为高斯型,则曲率形状引起的微弯衰减为[14]

(1)

式中,Δn为光纤相对折射率差,N为光纤总微弯数,A0、W0分别为平均曲率微弯峰值和平均微弯单元宽度,d为光纤芯径。

根据(1)式可知,高斯型曲率形状引起的微弯衰减与微弯单元平均宽度成近似指数下降关系。这可以用弯曲光纤的曲率半径来表示,当微弯单元平均宽度W0很大时,曲率半径也很大(轻度弯曲),光衰减较小,一般可不予考虑；当曲率半径减小时,衰减呈指数增长。可见,套管式微弯传感器的套管长度不宜过长,以减小光纤微弯曲率半径,提高衰减变化量,但套管太短也容易将光纤折断,需综合考虑。

图3 套管式光纤微弯传感器结构

套管式光纤微弯传感器的模型结构如图3所示,图中套管外径为2.5 mm,内径为1.5 mm,长度10 mm。为使套管具有一定硬度和韧性并避免锈蚀,套管选用黄铜材料制作,黄铜套管的一端为凹球面,另一端为凸球面,这样在2个套管连接部位就起到活动关节的作用。将黄铜套管用不锈钢丝线串联成链条而组成套管式光纤传感器,不锈钢丝线两端固定在堵头帽上,并使套管限制在相对紧密排列的范围内,既不会使套管相互脱离,也不会因固定太紧而不能相互改变角度,且光纤在套管中处于自由状态。由于两节套管的连接部分具有嵌套结构,凸球面受到凹球面边沿的支撑而不会脱离,在压力作用下两节套管之间便形成一定夹角,使套管内的光纤产生微弯,光纤微弯曲率半径随着两节套管之间夹角的减小而减小。光纤与外界完全隔离的结构设计符合工程应用要求,具有可靠性、耐用性和灵活性。

2.2 岩土结构体

岩土结构体如图4所示。图4(a)为模拟混凝土路面塌陷监测实验模块示意图,实验模块由混凝土、路基沙石、抽板、重物和木框组成,套管式光纤微弯传感器埋设在混凝土下方。将抽板从底部抽出,混凝土底部形成空洞,混凝土在重物压力下而塌陷,引起光纤微弯衰减并由OTDR测得衰减曲线。采用不同厚度的抽板可以得到不同衰减的OTDR曲线,观察OTDR监测到的信号变化并进行记录分析从而判断路面塌陷程度。

图4 岩土结构体示意图

图4(b)为模拟岩土山坡崩塌滑坡实验模块示意图,实验模块由上开口木箱、抽板,以及含有一定水分的碎石块和泥土组成。开口木箱的侧面有多个孔洞,用于套管式光纤微弯传感器穿过,将抽板从木箱的底部抽出,模拟底部掏空时木箱内的山体滑坡过程和变形量。该实验模块同时可以进行岩土承重实验,通过在岩土斜坡上方放置不同重量的重物,观察产生山体变形和滑坡的情况。

3 系统实验验证

实验系统搭建后进行可行性验证。作为实验验证的一个例子,实验只用一个套管式光纤微弯传感器,按照图4所示的结构位置安装,其中标准光纤长度和尾纤长度均为250 m,绕制成光纤环,但要注意避免出现绕制缺陷[15]。OTDR衰减曲线如图5所示,可以看到在距离250 m处有一个光强度跌落台阶。图5(a)为混凝土路面塌陷监测实验模块的抽板完全抽出(抽板厚度10 mm)时，OTDR监测到的混凝土完全塌陷时的光纤衰减曲线。OTDR主要参数:激光波长为1 310 nm,脉宽为100 ns,距离量程为500 m。图5(a)中标记点①—②的衰减值为8.529 dB,换算为塌陷深度传感灵敏度约为0.85 dB/ mm。图5(b)为崩塌滑坡岩土灾害监测模块的抽板完全抽出并产生滑坡时(抽板厚度为10 mm)，OTDR监测到的光纤衰减曲线,标记点①—②的衰减值为3.162 dB。图5的OTDR衰减曲线验证了将套管式光纤微弯传感器应用于搭建的混凝土路面塌陷监测模块和崩塌滑坡岩土灾害监测模块的实验具有很好的响应度。当改变抽板厚度时,上述2个实验模块OTDR标记点①—②的衰减值跟着改变。

图5 单传感器实验的OTDR衰减曲线

4 结语

基于OTDR的分布式光纤微弯传感实验系统可进行模拟混凝土路面塌陷和岩土崩塌滑坡2个工程项目实训,实现了光纤传感技术实验与工程应用相结合的目标,为岩土结构体监测研究和教学实验提供了平台。设计的新型套管式光纤微弯传感器结构符合工程应用要求,具有可靠性、耐用性和灵活性。实验监测到模拟混凝土路面和模拟岩土山坡在压力下的空洞塌陷和滑坡现象。实验系统平台可为工科院校建设工程性实验平台提供有益的参考。