復合光纖檢測模塊與裝置的制作方法

專利名稱：復合光纖檢測模塊與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及采用光纖裝置實現變形及運動方向同步測量的技術領域，特別涉及一
種復合光纖檢測模塊以及復合光纖檢測裝置。
背景技術：
我國是世界上地質災害最為嚴重的國家之一，每年由滑坡等邊坡失穩災害造成的 損失數以億計，嚴重影響了人民群眾的生命財產安全，因此，建立有效的監測網絡、及時預 測與防護成為抵御災害，成為減輕損失的重要途徑。 光纖傳感技術是通過對光纖內傳輸光某些參數(如強度、相位、頻率、偏振態等) 變化的測量，實現對環境參數的測量，分布式光纖傳感技術已經廣泛應用于工程測量領域， 光纖傳感器是利用光作為信息的載體，用光纖作為傳遞信息的介質，具有抗電磁干擾、耐腐 蝕、靈敏度高、響應快、重量輕、體積小、外形可變、傳輸帶寬大以及可復用實現分布式測量 等優點，我國在2004年將分布式光纖傳感技術應用于滑坡監測，并取得了顯著的成果。
目前，基于同軸電纜的時域反射(TDR)監測技術、光時域反射技術和布里淵光時 域反射技術(B0TDR)是國內研究的熱點，但是這幾種技術在用于邊坡穩定監測時，各自都 有缺陷，其中，TDR在無剪切力作用時敏感性差，因此，難以作用于初始精度高、行程大的測 量場合，0TDR在應用中具有高初始精度，但難以實現大量程和方位判定；而B0TDR雖然具有 光信號損耗小、測距長的優點，并且單根光纖價格低廉，能夠比較方便地確定變形的位置， 但是其測量行程較小，而且在實現方位判定方面也有待于研究。 整體而言，目前國內在這一領域的研究與國外還有較大差距，在邊坡失穩地質結 構的測量上，需要一種能夠實現剪切力初始高精度、大量程測量和方位判斷的光線檢測裝置。

發明內容
有鑒于此，本發明提供了一種復合光纖檢測模塊，該模塊采用了三種光纖結構，能 夠同時進行剪切力的初始高精度、大量程測量以及方位判斷，具有精度高、低造價的特點， 基于該檢測模塊，本發明還提出了一種復合光纖檢測裝置，通過與檢測主機的結合，能夠對 目標物體內部運動的方向和性質進行準確的綜合判斷，為進一步采取對策提供有效信息。
本發明的目的之一是通過以下技術方案來實現的該復合光纖檢測模塊包括具有 受力承載面的基材，所述基材的受力承載面上設置有并列的光纖結構1、光纖結構II和光 纖結構III ; 所述光纖結構I為管式結構，包括光纖I和鋼管，所述光纖I位于受力承載面上的 部分通過套裝鋼管進行保護，光纖I上設置有蝴蝶結，所述光纖結構I用于剪切力的大量程 測量；所述光纖結構II為獨體光纖結構，包括直接設置在受力承載面上的光纖II，所述光 纖結構II用于剪切力的初始高精度測量與位置檢測；所述光纖結構III采用嵌入式應變結 構，包括光纖III和應變安裝基片I，所述光纖III為兩根且以相互平行的方式分別嵌入安裝于應變安裝基片I的上、下表面，所述應變安裝基片I的下表面以面接觸的方式設置在受 力承載面上，所述光纖III與光纖1、光纖II保持平行，所述光纖結構III用于剪切力的方 位判斷。 進一步，所述光纖結構III還包括應變安裝基片II，所述應變安裝基片II的上、 下表面上分別設置有兩根相互平行的光纖IV，所述應變安裝基片II設置在應變安裝基片I 上，所述應變安裝基片II的上、下表面與應變安裝基片I的上、下表面保持正交垂直，所述 光纖IV與光纖III相互平行，通過應變安裝基片I、II的設置，可以同時判斷水平方向和垂 直方向的受力。 當然，也可以不采用上述的垂直正交結構，直接將光纖III采用光柵光纖，通過光
柵光纖的特性來進行方位判斷，該種方式靈敏度也較高，同時造價較為昂貴。 進一步，所述光纖II上套裝有整根式的用于保護光纖的軟性套管。 另外，所述光纖II也可以采用另外一種套管保護結構，即在光纖II上沿光纖II
的埋入長度依次套裝有多個結構相同的套管節，所述套管節的長度大于1mm且小于15mm，
外徑為0. 5 2mm，內徑為0. 3 1. 6mm，在外力作用下，所述光纖II通過套管節形成鋸齒
形結構； 進一步，所述基材上設置有連接裝置，所述多個復合光纖檢測模塊之間通過連接
裝置構成具有單個或者多個受力承載面的立體結構或沿同一方向平面延展。 本發明的復合光纖檢測模塊采用由三種光纖結構組成的復合結構，其中光纖結構
I采用了外套鋼管的設計，針對獨體光纖在位移量過大容易折斷的弊病，該結構的光纖由于
受到鋼管的保護，裂縫產生的距離會使鋼管在裝置內發生滑動從而帶動光纖一起運動，使
蝴蝶結收縮，從而產生相關參數的變化，非常適合于剪切力的大量程測量；而光纖結構II
采用獨體結構或加上孔徑合適的軟性套管起到保護作用，適合于初始高精度測量；光纖結
構III通過將光纖嵌入應變安裝基片上，再將制成一體的應變安裝基片安裝在基體上，從
而可以實現方位的判斷和應力大小的測量。 由于基材上設置有連接裝置，所以多個復合光纖檢測模塊之間可以根據需要進行
連接，組成具有一個或多個受力承載面的立體結構，實現更為精確的測量。 本發明的目的之二是通過以下技術方案來實現的該復合光纖檢測裝置，包括如
前所述的復合光纖檢測模塊，還包括接收光纖信號并進行處理的檢測主機。 對于采用應變安裝基片I、 II垂直正交結構的復合檢測模塊，所述檢測主機通過
多路選擇開關與三路光纖相聯接并接收光纖信號進行處理，所述檢測主機采用布里淵光時
域反射計。具體原理即用一臺光源通過多路選擇器發射光到用不同編號代表不同方位的光
纖中，然后由于光纖受到拉壓作用會產生回反射光的頻率變化，利用BOTDR儀檢測頻率變
化的特性進行相關測量從而得到不同編號光纖的頻率變化差異，就可以用來確定該編號所
代表方位是否受力與受力大小。 對于采用刻設有光柵的光纖的復合檢測模塊，檢測主機包括光時域反射計和光纖 調諧器、光譜儀，其中，光時域反射計用于連接光纖I和光纖II，所述光纖調諧器和光譜儀 用于連接光纖III，光纖III的測量原理如下光纖調諧器將單一頻率光射進用不同編號代 表不同方位的光纖一受到外界作用一產生頻率改變的散射光一用光譜儀來進行檢測光的 頻率改變量一最后得出不同編號產生的改變量大小，從而就可以反推出該方向是否受力以及受力大小。 本發明的有益效果是 1.本發明的復合光纖檢測模塊通過在同一基材的受力承載面上設置三種不同的 光纖結構，能夠實現剪切力的初始高精度測量、大量程測量以及方位判斷，其獲得的信息準 確全面；在實際使用過程中，多個復合光纖檢測模塊可以相互連接，組成立體結構或沿同一 方向平面延展，大大增強了模塊應用的靈活性； 2.將復合光纖檢測模塊與光時域反射計或布里淵光時域反射計配合組成復合光 纖檢測裝置，操控簡單，監測效果良好；同時，光纖傳輸損耗小，光纖可以將信號數據傳輸至 遠方實現遠程監測，不影響監測的精度和準確性，其功能更全，效率更高；另外，本發明的復 合光纖檢測模塊也可以采用光柵光纖的結構，與光纖調諧器和光譜儀配合組成另一種復合 光纖檢測裝置，結構更為簡單，所得數據也較為精確，但造價相比較而言會高一些；
3.本發明的模塊和裝置結構緊湊，可擴展性強，應用范圍廣泛，適合推廣使用。
本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要 求書來實現和獲得。


為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進 一步的詳細描述，其中 圖1為復合光纖檢測模塊實施例一的結構示意圖；
圖2為圖1沿A-A向的剖面示意圖；
圖3為實施例一的立體示意圖； 圖4為復合光纖檢測模塊受剪切時的變形示意圖；
圖5為本發明的復合光纖檢測裝置連接示意圖；
圖6為復合光纖檢測模塊實施例二的立體示意圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例
僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。 實施例一 如圖1至圖3所示，本實施例的復合光纖檢測模塊，包括具有受力承載面的基材 18，基材18的受力承載面上設置有沿同一方向上下并列的光纖結構I 1、光纖結構II 2和 光纖結構III 3 ; 光纖結構I 1為管式結構，包括光纖I 11和鋼管12，光纖I ll位于受力承載面上 的部分通過套裝入鋼管12進行保護，光纖I 11上設置有蝴蝶結結構40，如圖1所示，該蝴 蝶結結構40是將光纖I穿過擋板41后在其后方形成，在光纖I受到外力作用時起到延伸 拉長作用，在實踐中，該蝴蝶結結構可以為l個以上，分別設置在鋼管12兩端朝外的位置； 光纖結構II 2包括設置在受力承載面上的光纖I1 21，并采用將光纖II套入軟性套管的結構；光纖結構III 3采用嵌入式應變結構，包括光纖ni 31和應變安裝基片I 32，光纖 III 31為兩根且以相互平行的方式分別嵌入安裝于應變安裝基片I 32的上、下表面，應變 安裝基片I 32的下表面以面接觸的方式設置在受力承載面上且與受力承載面貼緊，光纖 III 31與光纖I 11、光纖11 21保持平行，本實施例中，光纖結構III 3還包括應變安裝基 片II 33，應變安裝基片I1 33的上、下表面上分別設置有兩根相互平行的光纖IV34，應變 安裝基片II 33設置在應變安裝基片I 32上，應變安裝基片I1 33的上、下表面與應變安 裝基片I 32的下、下表面保持正交垂直，光纖IV 34與光纖ni 31相互平行。為保證測量 效果，光纖III 31、光纖IV 34應為崩緊后嵌入應變安裝基片的表面。 本實施例中，基材1是由具有一定塑性和剛度的材料制成，受力后可以發生一定 程度上的變形，基材1上設置有連接裝置(具體方式可以采用扣接、鉚接或焊接等，本實施 例中采用扣頭5和扣眼6的結合)，多個復合光纖檢測模塊之間可以通過連接裝置構成具有 單個或者多個受力承載面的立體結構或沿同一方向平面延展，在基材1上設置有用于定位 或保護光纖結構的槽及槽的蓋板。 其中光纖結構I采用了外套鋼管的設計，針對獨體光纖在位移量過大容易折斷的 弊病，該結構的光纖由于受到鋼管的保護，裂縫產生的距離會使鋼管在裝置內發生滑動從 而帶動光纖一起運動，使蝴蝶結收縮，從而產生相關參數的變化，非常適合于大量程剪切力 的測量；而光纖結構II適合于初始高精度測量，可以采用軟性套管對光纖II產生一定的 保護作用，也可以不套管直接設置，光纖結構II在剪切力過大的時候容易斷裂；而光纖結 構III通過采用正交垂直的應變安裝基片I和應變安裝基片II的結構，而應變安裝基片I 的正反面都嵌入光纖III，應變安裝基片I可以隨基材一起受力彎曲，彎曲即會使光纖拉伸 (受力面產生拉伸)和壓縮(當彎曲時一面被拉伸，反面就會被壓縮)，從而產生散射損耗， 由于拉伸與壓縮的損耗(布里淵頻移)有正負關系，由損耗(布里淵頻移)產生與否可感 知是否隨該方向(由正、負號可判斷正負向)而產生彎曲，從而實現水平方向上力的測量， 同理，與應變安裝基片I正交垂直的應變安裝基片II則可以判斷垂直方向的受力，根據兩 個方向的大小則可以建立坐標系從而求得合力的方向。理論上光纖結構III還可以實現應 力大小的測量，復合光纖檢測模塊受剪切時的變形情況如圖4所示。 需要指出的是，光纖II上既可以如圖3所示的那樣，套裝整根式的用于保護光纖 的軟性套管22，也可以采用沿光纖II的埋入長度依次套裝有多個結構相同的套管節23的 方式，套管節23的長度大于lmm且小于15mm，內、外徑主要根據裸光纖的直徑和剛度來確 定，通常外徑為0. 5 2mm，內徑為0. 3 1. 6mm。在外力作用下，所述光纖II通過套管節 23形成鋸齒形結構，其傳感機理是微彎原理，當套管節自然埋設不平或者變形不一致時，套 管節與套管節之間就形成光纖的微彎，如圖5所示。因此，當受到外力發生進一步變形時， 光纖將感知這些微彎點24的變化，當所處的基體材料出現大變形時，基體材料與套管接觸 形成牢固粘接，由于套管節23限制了光纖II的變形，光纖II在宏觀變形彎曲中形成微彎 點，隨巖層垮落出現損耗臺階反射信號。為保證微彎效果，套管節的長度不能太長，這是因 為套管節越短，光纖的微彎損耗越明顯，對于0TDR儀或B0TDR儀檢測的靈敏度越高，但是套 管過短，又會影響保護效果，因此，經過多次測試，本實施例的套管節23的長度選用為8mm。
光纖II采用套管節23形成上述結構的作用在于 1.在安裝過程中起保護光纖的作用，做成該種結構有利于在光纖滑移的時候不至于使光纖繃太緊而斷裂； 2.由于許多巖土體本身比較松軟，不適宜灌強度太高的砂漿，因此可能用沙子之
類的東西進行填埋試驗孔，此時在光纖II周圍都是比較松軟的物體，因此，帶套管節可以
加強兩套管節之間的微彎程度，而不加套管節就不會產生比較明顯的微彎損耗。 如圖6所述，采用本實施例的復合光纖檢測模塊的復合光纖檢測裝置，包括多路
選擇開關9和檢測主機8，檢測主機采用布里淵光時域反射計，檢測主機8通過多路選擇開
關9與三路光纖相聯接并接收光纖信號進行處理。 本裝置在使用過程中，通過三組光纖結構完成相關信息的采集，布里淵光時域反 射計的CPU負責對采集得到的信息進行處理、分析和計算，并用于控制儀器狀態、輸入數 據、進行測量等，采集得到的信息經CPU綜合處理后，得到受測體的形變、位移等資料，實現 多參數信息采集、數據智能化處理和結果顯示的一體化。 當然，檢測主機也可以采用光功率計來連接光纖I和光纖II，通過測量損耗來確
定相關數據，具體架構按照成熟結構組建。
實施例二 如圖7所示，實施例二與實施例一的不同之處在于，沒有采用應變安裝基片II，而 是使光纖III 31采用刻設有光柵的光纖傳感器，其原理是在光纖內部刻設布拉格光柵，然 后使用光纖調諧器發射一定頻段的光，遇到光柵后會反射一定波長的光，這樣，當外力發生 變化時，每個光柵的距離會改變，這樣反射回來的光波長也會改變，由采集的數據可以實現 對外部應力的方向判定。 采用本實施例的復合光纖檢測模塊的復合光纖檢測裝置，包括了用于發射光源的 光纖調諧器和記錄光波變化的光譜儀，其連接簡單，技術成熟，與實施例一相比，實施例二 測得的數據變化更適合分析與判斷，但是其造價較高。
應用實例1 1.在受測體內部的適當位置預留埋設孔道或事后鉆孔，將事先準備好的平面或立 體結構的復合光纖模塊埋設在孔道內，可在埋設的同時根據孔道深度和檢測需要設置方位 調準裝置； 2.用強度適中的灌漿材料使復合光纖裝置與周邊的被測體緊密結合，以傳遞出相 關荷載和應變信息，當受測體產生變形或運動時，根據光纖產生的微彎損耗、彎曲損耗和剪 切變形等確定被測體的變形和運動大小； 3.將采集得到的各種參數、信息、數據傳遞到檢測主機，通過檢測主機的分析處 理，根據預定的程序作出相應判斷，以實現預警和對策采用。
應用實例2 與應用實例1不同的是，應用實例2是將準備好的平面或立體結構的復合光纖模 塊固定在受測體的外部，其余的檢測過程及原理、參數的獲取方式與應用實例1相同。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
權利要求
復合光纖檢測模塊，其特征在于包括具有受力承載面的基材，所述基材的受力承載面上設置有沿同一方向上下并列的光纖結構I、光纖結構II和光纖結構III；所述光纖結構I為管式結構，包括光纖I和鋼管，所述光纖I位于受力承載面上的部分通過套入鋼管內部進行保護，所述光纖I上設置有用于延伸拉長的蝴蝶結結構，所述光纖結構I用于剪切力的大量程測量；所述光纖結構II為獨體光纖結構，包括設置在受力承載面上的光纖II，所述光纖結構II用于剪切力的初始高精度測量與位置檢測；所述光纖結構III采用嵌入式應變結構，包括光纖III和應變安裝基片I，所述光纖III為兩根且以相互平行的方式分別嵌入安裝于應變安裝基片I的上、下表面，所述應變安裝基片I的下表面以面接觸方式水平設置在受力承載面上，所述光纖III與光纖I、光纖II保持平行，所述光纖結構III用于剪切力的方位判斷。
2. 根據權利要求1所述的復合光纖檢測模塊，其特征在于所述光纖結構III還包括 應變安裝基片II，所述應變安裝基片II的上、下表面上分別設置有兩根相互平行的光纖 IV，所述應變安裝基片II設置在應變安裝基片I上且應變安裝基片II的上、下表面與應變 安裝基片I的上、下表面保持正交垂直，所述光纖IV與光纖III相互平行。
3. 根據權利要求1或2所述的復合光纖檢測模塊，其特征在于所述光纖III為單光纖。
4. 根據權利要求1所述的復合光纖檢測模塊，其特征在于所述光纖III為刻設有光 柵的光纖。
5. 根據權利要求1或2所述的復合光纖檢測模塊，其特征在于所述光纖II上套裝有 整根式的用于保護光纖的軟性套管。
6. 根據權利要求1或2所述的復合光纖檢測模塊，其特征在于所述光纖II上沿光纖II的埋入長度依次套裝有多個結構相同的套管節，所述套管節的長度大于1mm且小于 15mm，外徑為0. 5 2mm，內徑為0. 3 1. 6mm，在外力作用下，所述光纖II通過套管節形成 鋸齒形結構。
7. 根據權利要求3所述的復合光纖檢測模塊，其特征在于所述基材上設置有連接裝 置，所述多個復合光纖檢測模塊之間通過連接裝置構成具有單個或者多個受力承載面的立 體結構或沿同一方向平面延展。
8. 根據權利要求4所述的復合光纖檢測模塊，其特征在于所述基材上設置有連接裝 置，所述多個復合光纖檢測模塊之間通過連接裝置構成具有單個或者多個受力承載面的立 體結構或沿同一方向平面延展。
9. 復合光纖檢測裝置，其特征在于包括如權利要求3所述的復合光纖檢測模塊，還包 括多路選擇開關和檢測主機，所述檢測主機通過多路選擇開關與三路光纖相聯接并接收光 纖信號進行處理，所述檢測主機為布里淵光時域反射計。
10. 復合光纖檢測裝置，其特征在于包括如權利要求4所述的復合光纖檢測模塊，還包括接收光纖信號并進行處理的檢測主機，所述檢測主機包括光時域反射計和光纖調諧 器、光譜儀，其中，光時域反射計用于連接光纖I和光纖II，所述光纖調諧器和光譜儀用于 連接光纖III。
全文摘要
本發明公開了一種復合光纖檢測模塊，包括具有受力承載面的基材，所述基材的受力承載面上設置有上下并列的光纖結構I、光纖結構II和光纖結構III；所述光纖結構I為管式結構，用于剪切力的大量程測量；所述光纖結構II為獨體光纖結構，用于剪切力的初始高精度測量；所述光纖結構III為嵌入式結構，用于方位判斷，本發明的復合光纖檢測模塊通過在同一基材的受力承載面上設置三種不同的光纖結構，能夠實現大量程、初始高精度測量以及方位判斷，其獲得的信息準確全面；在實際使用過程中，多個復合光纖檢測模塊可以相互連接，組成立體結構或沿同一方向平面延展，大大增強了模塊應用的靈活性，另外，本發明還公開了一種復合光纖檢測裝置。
文檔編號G02B6/44GK101788352SQ20101010778
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者劉東燕, 劉京誠, 劉邦, 張倩, 朱正偉, 袁僑英 申請人:重慶大學