基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及方法，该系统包括分布式光纤应变传感器、自加热光纤温度传感器、测斜管、空心钢管、光纤数据采集仪、太阳能电池板、光纤接续盒、变压器、窄线宽可调谐激光器、耦合器、云平台、监测结果处理与显示系统和预警系统。分布式光纤应变传感器位于测斜管凹槽内，空心钢管固定在测斜管内侧，光纤温度传感器缠绕固定在空心钢管表面；光纤数据采集仪将数据通过云平台传输至监测结果处理与显示系统，该系统将峰值与设定预警值对比，判断是否预警；监测结果处理与显示系统与预警系统连接，预警时指示灯闪烁。本发明专利技术精度高、可提前预警，以预防因深层水平位移过大或地下水位变化过大导致结构失稳破坏。

Integrated monitoring and early warning system and method of deep horizontal displacement and groundwater level based on OFDR

【技术实现步骤摘要】
基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及方法
本专利技术涉及深层水平位移与地下水位监测预警系统，尤其涉及一种基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及方法。
技术介绍
目前土建工程中主要采用测斜仪来进行深层水平位移监测，对深层土体水平位移监测所用的传统方式和仪器有以下不足之处：(1)测量结果不连续，存在测量盲区；需要人工进行分段测量，测量过程时间较长，无法实现实时和自动化的监测。(2)活动式测斜仪易损坏，耐久性较差；土体变形较大时，测斜管弯曲超过一定角度后测斜仪无法通过，导致测点失效。(3)测斜管内落入杂物或管内渗入大量淤泥，测斜仪无法通过，亦会导致测点失效。(4)地下水位监测所用的传统方式需要埋设专门的水位监测管，无法实现实时和自动化的监测，并且需要人工进行测量读数，大大的浪费了人力和财力。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统及方法，以自动实时的完成对深层水平位移与地下水位数据收集和处理分析，在掌握深层水平位移与地下水位变化的同时，通过与警报系统预设值的比对，完成对深层水平位移与地下水位的预警。技术方案：本专利技术基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，包括分布式光纤应变传感器、自加热光纤温度传感器、测斜管、空心钢管、光纤数据采集仪、太阳能电池板、光纤接续盒、变压器、窄线宽可调谐激光器、耦合器、云平台、监测结果处理与显示系统和预警系统；测斜管由多个测斜管单元依次拼接而成，测斜管单元侧壁对称开设有多个U型凹槽；测斜管上开设有多个进水孔，进水孔上设有滤网和土工布；分布式光纤应变传感器对称布置在测斜管凹槽内；空心钢管通过夹具固定在测斜管内侧，空心钢管与测斜管轴线平行；自加热光纤温度传感器缠绕并固定在空心钢管表面；窄线宽可调谐激光器作为光源发出调谐光通过耦合器传入光纤数据采集仪；光纤数据采集仪将数据采集后通过云平台传输至监测结果处理与显示系统，监测结果处理与显示系统记录光纤传感器的波长数据，完成对观测数据的降噪及数据平滑处理，作出水平位移沿测斜管体的分布曲线，得到不同深度下温度变化速率，并将记录的峰值与设定的预警值对比，以判断是否需要预警；监测结果处理与显示系统输出端与预警系统连接，预警系统包括电容、晶体三极管和指示灯；监测结果处理与显示系统输出的交流信号电压由输入端输入，经过电容耦合至晶体三极管的基极进行放大，放大后的交流信号由晶体三极管集电极输出，通过电容耦合至指示灯发生闪烁。自加热光纤温度传感器包括纤芯、加热丝、填充油膏、包层、涂覆层和光纤护套；纤芯与加热丝位于填充油膏内，纤芯与加热丝由包层包裹，光纤护套与包层之间为涂覆层。光纤接续盒包括盒体、光纤固定装置和光纤安放装置；分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器通过蛇形软管固定在盒体内，分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器通过光纤固定装置和光纤安放装置固定，自加热光纤温度传感器中加热丝与加热导线连接后，接入可调变压器。测斜管外露部分采用金属护筒进行保护；金属护筒包括内护筒和外护筒，内外护筒之间采用海绵缓冲垫填充。金属护筒顶部安设有顶板，顶板上贴有测点编号，金属护筒外壁粘贴有反光材料。滤网为聚乙烯土工格栅，土工布为透水无纺布。本专利技术基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统的监测预警方法，包括以下步骤：(1)将多节测斜管单元依次拼接成测斜管，在测斜管单元的连接处切出两条对称的凹槽，该凹槽位置与测斜管单元的凹槽对应；在拼接成的测斜管底部切出U型凹槽；(2)将分布式光纤应变传感器以测斜管轴线为中心先对称布置在凹槽内，并通过光纤固定器分段固定，使用环氧树脂胶对光纤分区段胶粘；(3)在测斜管的最后一节开设两排进水孔，进水孔避开凹槽，进水孔上设置有滤网土工布；(4)将自加热光纤温度传感器紧贴空心钢管表面缠绕，并采用光纤固定器固定，预留设定的长度，然后用夹具将空心钢管平行固定在测斜管内测；(5)采用工程钻探机在围护结构周围土体钻孔，钻孔深度大于安装深度；(6)将布设有分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器的测斜管下放到围护结构周围的土体钻孔内，转动测斜管调正方向，使测斜管前后对称粘贴有分布式光纤应变传感器的面与土体主滑方向平行，然后用砂或细土进行回填；(7)对测斜管外露部分采用金属护筒进行保护，在外护筒顶部安设与其开口端匹配的顶板，并贴上测点编号；(8)剥开自加热光纤温度传感器外层的光纤护套，将加热丝与加热导线连接，并将导线连接到变压器；将预留有长度的光纤与跳线熔接，用热膨胀管保护，连接至光纤数据采集仪，光纤数据采集仪将数据采集后传输至监测结果处理与显示系统；(9)监测结果处理与显示系统对光数据接收，完成对观测数据的处理，捕捉并记录峰值，并将峰值与预先设定的预警值进行对比，以判断是否需要预警。步骤(2)中，固定分布式光纤应变传感器时，对分布式光纤应变传感器进行预拉伸。步骤(5)中，钻头钻到预定位置后，直至泥浆水变为清混水后再提钻。步骤(7)中，金属护筒露出地面部分的外壁贴有反光材料。工作原理：本专利技术将光频域反射原理(OpticalFrequencyDomainReflectometry,OFDR)的分布式光纤传感技术应用到深层水平位移与地下水位监测中，并设计了相应的数据处理分析系统，可以准确实时地监测深层水平位移与地下水位动态变化信息。OFDR技术作为分布式光纤传感技术的一种，具有灵敏度与空间分辨率高、测量精度大、抗电磁干扰和辐射与环境适应能力强的优点。其应变分辨率达到了1.0με，温度分辨率达到0.12℃，测量范围达到±30000με和-270～900℃，该技术基于脉冲雷达的调频连续波技术，两束相干光入射入光纤后，在接收端探测光和本征光发生干涉，如果测试环境参数变化引起光信号相位发生变化或调制，则信号探测端检测信号将发生变化，对干涉光进行信号的解调就能得到待测光纤的具体信息。在监测系统中，将分布式光纤应变传感器布设在测斜管体上，测斜管体与光纤会发生协调变形，这就能实现对深层水平位移的监测；自加热光纤温度传感器中的加热丝能够在恒定电流作用下以额定功率产生热量，光纤的温度发生变化，一定的时间内，空气中光纤温度变化的速率远大于水下，所以通过自加热光纤温度传感器测量光纤加热后不同深度的温度值变化速率可以用来判定水位，实现对地下水位的监测。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术将OFDR技术引入深层水平位移与地下水位监测中，自动实时的完成对深层水平位移与地下水位数据收集和处理分析，将获得的深层水平位移和地下水位变化信息以图表形式呈现出来，既可以自动测量深层水平位移，且直接可以得到测斜管体的位移分布曲线，又可以监测地下水位变化，不需再单独安装水位管，了解深层水平位移和地下水位的变化情况，预防因深层水平位移过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：包括分布式光纤应变传感器(5)、自加热光纤温度传感器(6)、测斜管(1)、空心钢管(7)、光纤数据采集仪(23)、太阳能电池板(22)、光纤接续盒(15)、变压器(21)、窄线宽可调谐激光器(25)、耦合器(24)、云平台(26)、监测结果处理与显示系统(27)和预警系统(28)；/n所述测斜管由多个测斜管单元依次拼接而成，所述测斜管单元侧壁对称开设有多个U型凹槽；所述测斜管上开设有多个进水孔(3)，所述进水孔上设有滤网和土工布；所述分布式光纤应变传感器对称布置在测斜管凹槽内；/n所述空心钢管通过夹具固定在测斜管内侧，所述空心钢管与测斜管轴线平行；所述自加热光纤温度传感器缠绕并固定在空心钢管表面；/n所述窄线宽可调谐激光器(25)作为光源发出调谐光通过耦合器(24)传入光纤数据采集仪(23)；/n所述光纤数据采集仪(23)将数据采集后通过云平台(26)传输至监测结果处理与显示系统(27)，所述监测结果处理与显示系统记录光纤传感器的波长数据，完成对观测数据的降噪及数据平滑处理，作出水平位移沿测斜管体的分布曲线，得到不同深度下温度变化速率，并将记录的峰值与设定的预警值对比，以判断是否需要预警；/n所述监测结果处理与显示系统(27)输出端与预警系统(28)连接，所述预警系统包括电容(29)、晶体三极管(30)和指示灯(31)；监测结果处理与显示系统输出的交流信号电压由输入端输入，经过电容耦合至晶体三极管的基极进行放大，放大后的交流信号由晶体三极管集电极输出，通过电容耦合至指示灯发生闪烁。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：包括分布式光纤应变传感器(5)、自加热光纤温度传感器(6)、测斜管(1)、空心钢管(7)、光纤数据采集仪(23)、太阳能电池板(22)、光纤接续盒(15)、变压器(21)、窄线宽可调谐激光器(25)、耦合器(24)、云平台(26)、监测结果处理与显示系统(27)和预警系统(28)；
所述测斜管由多个测斜管单元依次拼接而成，所述测斜管单元侧壁对称开设有多个U型凹槽；所述测斜管上开设有多个进水孔(3)，所述进水孔上设有滤网和土工布；所述分布式光纤应变传感器对称布置在测斜管凹槽内；
所述空心钢管通过夹具固定在测斜管内侧，所述空心钢管与测斜管轴线平行；所述自加热光纤温度传感器缠绕并固定在空心钢管表面；
所述窄线宽可调谐激光器(25)作为光源发出调谐光通过耦合器(24)传入光纤数据采集仪(23)；
所述光纤数据采集仪(23)将数据采集后通过云平台(26)传输至监测结果处理与显示系统(27)，所述监测结果处理与显示系统记录光纤传感器的波长数据，完成对观测数据的降噪及数据平滑处理，作出水平位移沿测斜管体的分布曲线，得到不同深度下温度变化速率，并将记录的峰值与设定的预警值对比，以判断是否需要预警；
所述监测结果处理与显示系统(27)输出端与预警系统(28)连接，所述预警系统包括电容(29)、晶体三极管(30)和指示灯(31)；监测结果处理与显示系统输出的交流信号电压由输入端输入，经过电容耦合至晶体三极管的基极进行放大，放大后的交流信号由晶体三极管集电极输出，通过电容耦合至指示灯发生闪烁。


2.根据权利要求1所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：所述自加热光纤温度传感器包括纤芯(32)、加热丝(33)、填充油膏(34)、包层(35)、涂覆层(36)和光纤护套(37)；所述纤芯与加热丝位于填充油膏内，纤芯与加热丝由包层(35)包裹，所述光纤护套与包层之间为涂覆层。


3.根据权利要求1所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：所述光纤接续盒包括盒体、光纤固定装置和光纤安放装置；所述分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器外露部分通过蛇形软管固定在盒体内，所述分布式光纤应变传感器和自加热光纤温度传感器通过光纤固定装置和光纤安放装置固定，所述自加热光纤温度传感器中加热丝接入可调变压器。


4.根据权利要求1所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：所述测斜管外露部分采用金属护筒(9)进行保护；所述金属护筒包括内护筒和外护筒，所述内外护筒之间采用海绵缓冲垫填充。


5.根据权利要求4所述的基于OFDR的深层水平位移与地下水位一体化监测预警系统，其特征在于：金属护筒顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：高磊，周辉，杨贵，陈育民，刘胤，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32