新型岩土工程FBG测斜传感器的开发与验证*

施令飞,洪成雨,魏显虎*,张宗科,叶虎平

(1.中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100101;2.深圳大学土木与交通工程学院,广东 深圳 518060; 3.中国科学院大学,北京 100049;4.中国科学院中-非联合研究中心,武汉 430074; 5.中国-斯里兰卡水技术研究与示范联合中心,北京 100085)

岩土工程灾害的发生往往具有突然性,灾害发生前很少有预兆,所以岩土工程的灾害的发生往往会给人们带来严重的生命和财产威胁和损失[1-3]。于是对岩土工程项目的健康监测和实时测量是很重要的一环。传统的边坡内部测斜传感器有移动式和固定式,但在数据测量时受外界环境影响较大,会产生测量漂移。光纤布拉格光栅是一种应力敏感元件[4],较其他传感元件其具有尺寸小,容易联网,制作成本低,使用时间长,维护成本低等优点,于是光纤传感器以其突出的优点成为岩土工程智能监测的首选传感器[5-6]。但是目前常用的FBG传感器有封装成本高,内部排线困难,光纤受外力容易坏等缺点而制约着FBG传感器的广泛使用。

3D打印作为快速成型技术的一种,具有许多优点:①产品可以快速建模。②制作产品的精度比较高。③大大降低传感器的制作成本。本文提出利用3D打印的技术和FBG结合在一起以较低的成本生产测斜传感器的主体部分,可以极大的提高传感器的制作精度和制作效率[7-9]。

1 FBG测斜传感器设计方案

边坡发生滑动时,部分坡体会发生细小的相对运动,这样就可以将坡体的水平形变量转化为FBG传感器的波长漂移量。

基于埋入式FBG测斜传感器的测量环境及测量原理,设计的测角仪如图1所示,其主要部件是传感器背板和和摆杆,传感器背板上设有一个可自由滚动的轴承和两个传感器固定柱。为了让摆轴偏转产生的力能较好的传递给光纤光栅,在滚环上开一个深2 mm的沟环,将FBG嵌入其中并固定。摆杆上端与轴承连接;两个不同波长的FBG传感器预拉后,一端用强力胶水固定于轴承的顶部,另一端固定于两个传感器固定柱上;FBG传感器的感应部分置于传感器固定柱与轴承之间,FBG传感器的光缆通过光耦合器连接至电脑采集仪和宽带光源。轴承和两个传感器固定柱呈等腰三角形布置。两个传感器固定柱上各设有1个内孔,FBG传感器另一端的光纤穿过所述内孔并固定。传感器背板及传感器固定柱为3D一体打印成型。摆杆为3D打印成型[10]。通过传感器背板随被测平面倾斜导致摆杆转动,引起FBG传感器产生拉压变形,进而由拉压变形反应被测平面的倾斜角度。通过电脑采集仪采集FBG传感器的波长数据,通过FBG传感器波长的变化来换算被测平面倾斜的角度。

图1 FBG测斜传感器模型的分解简图

图2左部为封装好的FBG测斜传感器,右图为传感器的各个部件,背板上的圆柱上可以套上轴承,并保证轴承能自由的转动,轴承的外面又套上了摆体,摆体下部的两端都挂上挂重以增加下部的重量增加摆动灵敏性,盖子是可以防止外部环境对传感器造成的影响。

图2 FBG测斜传感器图片

2 FBG测斜传感器测量原理及标定实验

2.1 FBG测斜传感器的测量原理

从图3中可以看出,当FBG测斜传感器的背板倾斜时偏转角度为α,设摆重的重量为W,Wp为W的分量。由于受力平衡,FL和FR相等,且两力的合力需和摆体重力的分力互相抵消。所以当传感器向右侧倾斜时,左侧的FBG受拉,右侧的FBG受压,。由于FBG对于受拉敏感且中心波长的变化与拉力成线性关系[11],所以在测量偏转角度时都使用受拉侧的FBG数据。

图3 FBG测斜传感器原理图

根据力矩平衡原理[12],力矩平衡方程

FRr=FLr-Wsinαr

(1)

又有

FR=EεA

(2)

式中:E为光纤的弹性模量,A为光纤的截面积,ε为应变。

(3)

式中:λ是光纤光栅的波长,Δλ是波长的变化量。k是光纤光栅标定的系数。将式(1)～式(3)合并,得到

(4)

2.2 FBG测斜传感器的标定实验

由于封装材料和封装工艺对FBG的影响,并且获得FBG与测量指标的关系,在实际使用前需要对封装好的FBG传感器进行标定实验,测斜FBG传感器的标定平台系统[13]如图5所示。定制了一个角度控制测量仪,可以偏转固定的角度,测斜平台的分辨率为1度。我们将封装好的测斜传感器通过光纤熔接器与黄色光纤信号线进行熔接后在熔接处套上保护套,熔接的两个光纤光栅的中心波长分别为1 535 nm和1 550 nm。将两个光纤光栅熔接是为了将测量得到的反射波长相减,这样就可以消除温度对光纤光栅的影响。后将传感器与解调仪连接,在电脑上调好传感器的参数后,记录一下标定试验开始的时间。然后将测斜传感器放置在角度控制平台上,将角度调到5°,看到电脑屏幕上的波形线有小幅摆动,静置30 s后,再调到下一个角度,每次调整都增加5°,直到30°为止,然后再从30°的位置每次减小5°到恢复到水平位置,每次偏转后传感器保持姿态40 s左右。在这一过程中光纤解调仪每个1 s就记录一次光纤光栅的中心波长以及其变化量。实验结束后我们将实验记录数据导入到EXCEL中进行数据处理。

图4 FBG测斜传感器受拉与受压波长变化曲线对比图

图4表示的是标定实验中FBG传感器从左向右倾斜时光纤光栅随角度变化的波长变化值,其中蓝色线条表示的是受压一侧的光纤光栅随角度变化的波长变化值。粉红色的线条代表受拉一侧的光纤光栅随角度变化的波长变化值。由于光纤光栅具有对受拉比较敏感而对受压不敏感的特性,因此标定时主要看受拉侧光纤光栅的数据。可以看出受压光纤成明显的阶梯状分布,而且从中部成对称分布,正好与实验流程反映一致。

图5为中心波长1 535 nm的光纤光栅传感器随倾斜角度的变化与其波长变化量成线性趋势,线性相关系数为0.993 8。标定方程公式为y=12.099x-66.323。角度每增加五度波长变化量在60 pm左右。可以发现在传感器倾斜到恢复的整个过程中,受压侧FBG波长曲线呈现一个凹字形,因此标定时主要看受压侧光纤光栅的数据。从图中我们可以看出受拉光纤成明显的阶梯状分布,而且从中部成对称分布,正好与实验流程反映一致。受拉侧光纤光栅中心波长变化最小值在-75 pm左右,最高值在240 pm左右。

通过FBG测斜传感器的倾斜标定实验结果说明,设计的传感器封装成功,偏转角度与FBG受拉侧波长变化呈现较好的线性关系。

图5 FBG测斜传感器受拉侧波长变化图

图6 小型边坡模型监测系统

3 基于新型FBG测斜传感器的边坡稳定性监测

3.1 实验设计

该模拟边坡监测系统如图6所示,将测斜传感器用胶带绑在一根铁棒上,再将铁棒插到模拟边坡中。插入时应保证铁棒处于竖直状态。传感器埋设好后,在电脑上连接路由器,进入解调仪的系统将传感器匹配好,当通过解调仪看到波形显示的屏幕上有两个波峰是就说明有传感器连接成功,测斜传感器的中心波长为1 550 pm和1 535 pm。

实验准备阶段。本次实验的模型箱为玻璃钢实验箱,试验模型箱的长为600 mm,宽为390 mm,高为315 mm。准备了与模型箱相匹配的3个尺寸相同的塑料泡沫板,泡沫板叠合在一起是边坡的形状。制作边坡的砂为标准砂,砂的级配良好。还需要准备足够的重块,由于每次加载的重量是 5 kg。为了使得每次加载的重量能够均匀的加载到边坡的上部,所以加载时需要加一个垫板,垫板的尺寸与边坡上部的尺寸相同[14]。因为光纤光栅传感器接到解调仪并匹配好以后,解调仪就会以 1 s 为周期发射光线到光纤通道中,并接收传回来的反射光并分析反射光与出射光之间的差别进而得到反射光的波长。解调仪会将反射光波长及反射光与光纤光栅中心波长的差值记录下来,所以需要准备一个计时器并记下实验开始的时间,这样当处理数据时,可以将加载前的数据过滤掉以免影响数据分析[15]。

实验开始后将事先准备的重块迅速加到边坡上部5 kg,然后静置5 min,等到传感器的波长变化稳定后记下此时加载的重量和时间。然后将加载重量加到10 kg,再静置5 min。然后按照以上步骤重复进行逐级加载,直到加载到45 kg为止。每次加载后都应该关注模拟边坡的状态,边坡是否有裂缝,边坡是否破坏。重块应该放在边坡的中部,以使得重块传递的力均匀的传递下去。然后通过传感器接受边坡上部传来的压力以及侧向的力。

图7 测斜受拉传感器FBG波长变化

3.2 实验结果分析

图7和图8为测斜受拉和受压传感器FBG波长随上部加载变化的关系曲线图,其中受拉侧光纤光栅的中心波长为1 535 348 pm,受压侧光纤光栅的中心波长为1 549 791 pm。从上面两图中可以发现。随着边坡上部荷载的逐级增加,每一级加载后测斜传感器的受拉侧光纤光栅与受压侧光纤光栅的波长都呈现出逐级周期性分布的特征,其中受拉侧光纤光栅呈现逐级递增的趋势,每增加一级荷载波长大概增加8 pm。受压光纤光栅呈现逐级递减的趋势也在8 pm左右。当边坡的加载重量从0 kg到20 kg时测斜传感器波长变化不明显,这里就将其波长变化设为0。

图8 测斜传感器受压FBG波长变化

加载重量/kg波长变化/pm501001502002583015352340314539

在做测斜传感器的标定实验时得出的结论是,测斜传感器受拉侧比受压侧对倾斜测量更加敏感,所以在边坡倾斜侧量实验中我们选择使用测斜传感器受拉测的数据来测量此时传感器的倾斜角度。

在测斜传感器的标定实验中,得到的角度变化与波长变化的关系式为转变一下x与y的关系得到y=0.082 8x+6.797。将上式代入表1中,得到下面的计算结果。在做测斜传感器的标定实验时得出的结论是,测斜传感器受拉侧比受压侧对倾斜测量更加敏感,所以在边坡倾斜侧量实验中我们选择使用测斜传感器受拉测的数据来测量此时传感器的倾斜角度。

表2 测斜传感器加载重量与偏转角度对照表

从图9中可以观察出,加载重量从0 kg到 20 kg 的阶段时,测斜传感器的波长变化不明显,说明此时土体没有发生明显位移。而当加载重量为 25 kg 时,可以发现测斜传感器的波长增加了8 pm,所以经过计算的倾斜角度有一个很大的增加幅度。土体内部进入活跃状态,以后再加载时可以发现测斜传感器的斜率呈现增加状态。实验结束时波长增加了39 pm,经过计算,加载重量从25 kg到45 kg时,传感器的倾斜角度从6.79°增加到10.94°。可以发现随着加载重量的增加,测斜传感器倾斜的速率越来越快,说明加载超过25 kg后土体进入破坏状态。

图9 加载重量与倾斜角度关系图

4 边坡加载建模实验

4.1 物理模型

本文研究的模拟边坡模型长600 mm,宽390 mm,高390 mm。采用GEO-studio软件的SIGMA/W模块建立边坡的软件模型。在模型中,共设置9种工况,即加载5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、25 kg、30 kg、35 kg、40 kg、45 kg。边坡材料为标准砂,重度为18.5 kN/m3,弹性模量为20 000 kPa,泊松比为 0.35,在边坡的底部和左右面都设置了约束,使得加载过程中边坡在这几个方向上不发生位移。其边坡模型如图所示。SIGMA/W是岩土工程中应力和变形分析软件,SIGMA/W具有适用于各种复杂情况的本构模型公式,所以SIGMA/W可以对一般岩土问题进行分析,也可以对一些复杂的岩土问题,例如线性弹塑性、非线性弹塑性、非线性等进行分析,许多经典的土体模型都能对土体的各种参数或结构材料参数例如弹性模量、重度等进行设置并建模分析。

4.2 边坡变形特性分析

这9种工况中可以看出,最大的水平位移都位于加载位置下方10 cm到15 cm的一个圆形的区域,且位移等值线的分布在加载的上部比较密集,说明上部应力变化比较大,经过应力最大的区域后应力的分布变比较平缓。

图10 边坡加载水平云图

根据测斜传感器安装与放置方式,选择坐标为(21.364,26.668)为位移测量点,测得其水平位移x,y为绑扎测斜传感器的长杆插入边坡的深度,α为测斜传感器倾斜的角度。通过公式

(5)

就可以算出此时传感器倾斜的角度,然后与之前用公式计算的角度进行对比,就可评估之前反演的效果。

表3 加载重量与测量点水平位移关系表

将上面的位移数据代入式(5)中,y取240 mm,求出对应的倾角,如表4所示。

表4 加载重量与倾斜角度关系表

将以上计算结果与之前用传感器标定公式计算的结果进行比较,。就可以评价用反演公式计算的结果。由于测量过程中从5 kg到15 kg阶段传感器的波长没有变化,且传感器放置时便有细微倾斜,此处将误差略去,认为偏转角度为零。

在图11中,红色的正方形表示是用GEO-studio软件模拟实验测得的水平位移反演出的FBG测斜传感器的倾角,蓝色的正方形表示按照测斜传感器标定实验反演公式计算得到的数据。从比较看出,两种计算方法得到的数据匹配得比较好,尤其是当加载重量为30 kg和35 kg时,相差很小。说明用传感器标定的公式反演倾斜角度具有很好的可靠性。当加载重量小于35 kg时,模型计算出的角度比公式计算的角度偏小,这是因为之前加载时土体没有进入活跃状态,加载重量为35 kg时,两种方法计算的结果十分相近。加载重量超过35 kg后,模型计算出的角度就超过了公式计算的角度。还可以发现,两种方法算出的数据曲线,都有相同的趋势,即随着加载重量的增加,曲线的斜率也在增加。说明在加载过程中,边坡不断的受到挤压,当加载重量达到35 kg后,边坡发生了一定程度的破坏,荷载增加时,土体偏转的角度增加。

图11 FBG测斜传感器反演比较

5 结论

①本文针对传统岩土工程的测斜仪的很多缺点,创新的提出的FBG测斜传感器的测斜原理介绍了一种嵌入3D打印材料内部并完成封装的FBG测斜传感器设计方法和封装方法。并成功的对FBG传感器进行了封装。设计的传感器通过设置并行FBG的方式解决了温度对传统FBG传感器测量的影响。

②对设计的传感器做标定实验,得到角度与FBG波长具有线性关系。根据FBG波长变化与应变之间的线性关系求得待测点的应变,再通过力矩平衡原理监测边坡的实时倾斜角度。室内小型边坡多级加载实验的监测数据显示,边坡进入活跃状态后每次加载过程中,传感器波长呈现阶梯型上升的趋势。加载20 kg以后,每次加载使得传感器波长变化8 pm左右。偏转敏感性为11.23 pm每度,说明测斜传感器在边坡中有比较好的稳定性。

③将实验结果与GEO-studio软件的模拟加载实验结果做对比分析,分析说明两次实验的结果符合效果优良且重复实验的结果与之前实验结果符合。说明该新型FBG测斜传感器可以与波长接收设备一起共同组成对岩土边坡变形的监测网络。