基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量装置及方法，将若干个不同参量的第一光纤光栅传感器通过光纤串联在一起，通过PVC管安装于矿山岩体中，这样能够让光纤光栅传感结构与矿山变形相协调，得到准确的矿山变形及振动数据，通过一段时间的实时在线监测，将光纤光栅测量得到的数据进行趋势分析。通过矿山内部变形挠度曲线计算公式能够直观的得到矿山的内部变形。提出利用变模式分解VMD对上述装置所测数据进行分解得到一系列的模式分量，利用趋势波动分析的Hurst指数对非平稳时间序列的长程相关性进行识别，进而降低异常数据或噪声的干扰，提升数据的真实性，最终实现准确反映矿山内部变形状况。终实现准确反映矿山内部变形状况。终实现准确反映矿山内部变形状况。

【技术实现步骤摘要】
基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及矿山监测
，尤其涉及一种基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量装置及方法。

技术介绍

[0002]矿山边坡受到外界不稳定因素的影响，例如：雨水侵蚀、矿岩爆破、开采沉陷以及地震等，极易发生大面山体滑坡等重大灾害，造成不可挽回的损失。因此，边坡变形及稳定性是矿山作业开采的安全基础。目前，我国对于矿山的监测及其预警越来越重视，而矿山的内部位移是监测和预警中一个不可缺少的环节，当矿山边坡出现滑坡时，往往是由内部开始变形的，所以矿山内部变形的监测是对矿山健康监测极其重要的。
[0003]光纤光栅被认为是最具发展潜力的光无源传感器件之一，其具有体积小、柔性可弯曲、安全、适应恶劣环境能力强等特点。例如，中国专利CN110473387A就揭示了一种山地管道滑坡地质灾害监测预警系统及方法，通过设计光纤光栅土压力盒，通过内部弧形杠杆移动引起光纤光栅波长发生移位，监测管土压力；设计光纤光栅液位计，通过内部压力膜移动引起光纤光栅波长漂移，监测地下水位；设计光纤光栅渗压计，通过内置位移活塞移动引起光纤光栅波长发生移位，监测孔隙水压力。
[0004]上述内容仅用于辅助理解本专利技术的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出了一种基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量装置及方法。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量装置，包括若干个不同参量的第一光纤光栅传感器、PVC管和温度补偿光纤光栅传感器，其中：
[0008]若干个不同参量的第一光纤光栅传感器通过光纤串联在一起，并依次粘贴在PVC管表面；
[0009]将PVC管垂直固定在矿山岩体的监测孔的中心，PVC管与监测孔之间填满砂子；
[0010]温度补偿光纤光栅传感器，设置于PVC管内并可以自由地从PVC管中缩回。
[0011]第二方面，本专利技术提供了一种基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量方法，包括以下步骤，
[0012]S1，通过本专利技术第一方面所述的测量装置中的第一光纤光栅传感器获取矿山内部形变特征；
[0013]S2，通过光纤应变仪获取矿山内部形变数据；
[0014]S3，建立矿山内部变形挠度曲线计算公式，计算得出矿山内部位移；
[0015]S4，基于变分模态分解进行信号分解得到一系列模式分量；
[0016]S5，通过去趋势波动分析得到每一个模式分量的标度指数，通过标度指数的幅值阈值区分有用数据和异常数据，最后去除含有异常数据的模式分量并进行重构；
[0017]S6，基于处理后的数据实现矿山内部位移的判别和安全评估。
[0018]在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S1包括，
[0019]S1
‑
1，将若干个不同参量的第一光纤光栅传感器通过光纤串联在一起，并依次粘贴在PVC管表面，再对PVC管上的光纤光栅传感器做防水处理；
[0020]S1
‑
2，将PVC管垂直固定在监测孔中心，采用砂子填孔，再往监测孔内注水，使得砂子重新排布；
[0021]S1
‑
3，在PVC管内部设置一个温度补偿光纤光栅传感器，温度补偿光纤光栅传感器可以自由地从管中缩回。
[0022]在以上技术方案的基础上，优选的，所述矿山内部形变数据包括矿山位移、振动数据。
[0023]在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S3中，每个光栅段可以看作一个计算单元，滑坡中质量点的位移就是下面所有计算单元的位移之和；
[0024]光纤光栅段间距为L0，滑坡体发生滑动后，原滑坡体的质量点从位置A向位置B移动，计算单元中质量点的移动为L
2i
,滑面坡度为γ，被滑动体变形的光纤长度为L1：
[0025][0026]L1＝L0‑
ε
i
L0[0027]其中ε
i
是光纤的应变，ε
i
＝μ
i
k，μ
i
表示光栅波长的变化，k表示光栅波长的变化，k与光纤光栅材料和应变有关；
[0028]滑坡中任意质点的位移为其以下各计算单元的位移之和，表示为：
[0029][0030]其中，L2为监测孔内测量点的位移，n为从底部到监测孔内监测点的第一光纤光栅传感器的数量；
[0031]滑坡中任意质量点相对于光纤光栅应变的位移计算公式为：
[0032][0033]得到矿山内部位移。
[0034]在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S4中，基于变分模态分解的步骤包括：
[0035]S4
‑
1，首先构造出受约束的变分模型为：
[0036][0037][0038]式中：{u
k
}＝{u1,
…
,u
k
}和{ω
k
}＝{ω1,
…
,ω
k
}分别为各窄带分量和相应的中心频率；其中K为分解的模式分量，
‑
jwt为傅里叶变换的复指数展开方式，δ(t)为
单位脉冲函数，t为时间，为对时间t求偏导数，f为输入信号。
[0039]S4
‑
2，为求解该约束变分问题，利用二次惩罚函数项和Lagrange算子λ将其转化为如下无约束问题：
[0040][0041]其中，Γ为增广Lagrange函数，β为惩罚因子，f(t)为输入信号。
[0042]窄带分量u
k
最小化公式为：
[0043][0044]其中，为最小化窄带分量的傅里叶变换，分别表示u
i
、f(ω)和λ对应的傅里叶变换，ω为频率。
[0045]中心频率ω
k
最小化公式为：
[0046][0047]其中，为最小化中心频率；
[0048]S4
‑
3，利用交替方向乘子算法求最优解。
[0049]在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S4
‑
3包括，
[0050]S4
‑3‑
1，初始化和n为0；
[0051]S4
‑3‑
2，根据窄带分量u
k
最小化公式和中心频率ω
k
最小化公式更新和
[0052]S4
‑3‑
3，更新公式如下：τ为Lagrange乘数的更新参数
[0053]S4
‑3‑
4，直到满足以下条件后迭代停止：其中，ε为判别精度，否则，返回执行步骤S4
‑3‑
2，最后得到K个模式分量。
[0054]在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S5中，去趋势波动分析去除异常数据的步骤包括，
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量装置，其特征在于：包括若干个不同参量的光纤光栅传感器(1)、PVC管(2)和温度补偿光纤光栅传感器(3)，其中，若干个不同参量的第一光纤光栅传感器(1)通过光纤串联在一起，并依次粘贴在PVC管(2)表面；将PVC管(2)垂直固定在矿山岩体的监测孔(4)的中心，PVC管(2)与监测孔(4)之间填满砂子(5)；温度补偿光纤光栅传感器(3)，设置于PVC管(2)内并可以自由地从PVC管(2)中缩回。2.一种基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量方法，其特征在于：包括以下步骤，S1，通过权利要求1所述的测量装置中的第一光纤光栅传感器(1)获取矿山内部形变特征；S2，通过光纤应变仪获取矿山内部形变数据；S3，建立矿山内部变形挠度曲线计算公式，计算得出矿山内部位移；S4，基于变分模态分解进行信号分解得到一系列模式分量；S5，通过去趋势波动分析得到每一个模式分量的标度指数，通过标度指数的幅值阈值区分有用数据和异常数据，最后去除含有异常数据的模式分量并进行重构；S6，基于处理后的数据实现矿山内部位移的判别和安全评估。3.如权利要求1所述的基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量方法，其特征在于：所述步骤S1包括，S1
‑
1，将若干个不同参量的第一光纤光栅传感器(1)通过光纤串联在一起，并依次粘贴在PVC管(2)表面，再对PVC管(2)上的第一光纤光栅传感器(1)做防水处理；S1
‑
2，将PVC管(2)垂直固定在矿山岩体的监测孔(4)的中心，采用砂子(5)填孔，再往监测孔(4)内注水，使得砂子(5)重新排布；S1
‑
3，在PVC管(2)内部设置一个温度补偿光纤光栅传感器(3)，温度补偿光纤光栅传感器(3)可以自由地从管中缩回。4.如权利要求1所述的基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量方法，其特征在于：所述矿山内部形变数据包括矿山位移、振动数据。5.如权利要求1所述的基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量方法，其特征在于：步骤S3中，每个光栅段可以看作一个计算单元，滑坡中质量点的位移就是下面所有计算单元的位移之和；滑坡体发生滑动后，原滑坡体的质量点从位置A向位置B移动，计算单元中质量点的移动为L
2i
，光纤光栅段间距为L0，滑面坡度为γ，被滑动体变形后光纤光栅段间距为L1：L1＝L0‑
ε
i
L0其中ε
i
是光纤的应变，ε
i
＝μ
i
k，μ
i
表示光栅波长的变化，k表示光栅波长的变化，k与光纤光栅材料和应变有关；滑坡中任意质点的位移为其以下各计算单元的位移之和，表示为：
其中，L2为监测孔内测量点的位移，n为从底部到监测孔(4)内监测点的第一光纤光栅传感器(1)的数量；滑坡中任意质量点相对于光纤光栅应变的位移计算公式为：得到矿山内部位移。6.如权利要求5所述的基于多参量光纤光栅的矿山内部位移测量方法，其特征在于：步骤S4中，基于变分模态分解的步骤包括：S4
‑
1，首先构造出受约束的变分模型为：首先构造出受约束的变分模型为：式中：{u
k
}＝{u1,...,u
k
}和{ω
k
}＝{ω1,
…
,ω
k
}分别为各窄带分量和相应的中心频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，冯小鹏，袁于思，任美燕，易灿灿，张磊，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：