一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法技术方案

本发明专利技术提供了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法，包括：若干可拼接式柔性光纤传感装置，用于测量位移场；若干倾角自感知连接装置，用于可拼接式柔性光纤传感装置之间的连接；光纤解调仪，用于获取可拼接式柔性光纤传感装置的应变数据和倾角自感知连接装置的二轴倾角数据，对传感装置位移数据进行误差修正；可拼接式柔性光纤传感装置之间通过倾角自感知连接装置连接，且连接后的可拼接式柔性光纤传感装置的两端均还连接有倾角自感知连接装置，光纤解调仪与倾角自感知连接装置的自由端的一侧连接。本发明专利技术可根据大型结构的尺寸自主拼接长度合适的柔性光纤传感装置，实现大型结构的二维位移场监测。实现大型结构的二维位移场监测。实现大型结构的二维位移场监测。

【技术实现步骤摘要】
一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法


[0001]本专利技术属于工程结构变形监测
，尤其涉及一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法。

技术介绍

[0002]随着经济发展，在大型工程结构的施工和运营过程中，包括隧道断面变形、边坡滑移、桥梁挠变等需对关键区域的位移场分布进行实时监测，然而，现有点式位移测量技术仅能获取传感装置布置位置的位移信息，无法获取关键区域的位移场信息（如隧道整体收敛、边坡垂直位移、挠变、垂直沉降），在空间维度上易造成关键信息漏检；全站仪、三维激光扫描仪等尽管能够对上述基础设施表面位移场进行建模，但是难以获取内部位移场变化信息，并且属于周期性检测，在时间维度上难以保证实时监测。因此需要大范围位移场实时传感技术。
[0003]光纤材质轻柔，同时可实现(准)分布式组网，因此便于与基体材料结合，利用一根光纤感知基体材料多个点的变形。长期以来，基于光纤的形态感知技术是研究热点，将光纤粘贴或内置在基体材料中，测量各点的应变量，进而反推材料的整体变形，实现位移场的感知。上述技术在医疗和小型结构件领域取得了理想的效果。
[0004]然而，在大型基础设施工程关键区域位移场监测中，被测区域范围大、距离长，传感装置覆盖范围可达数十米，在这样的条件下，用于变形场感知的光纤形态传感装置体积大，直接造成传感装置在工程上难安装，易造成光纤的断点，导致传感装置损坏。更重要的是，长距离位移传感极易产生严重的累积误差现象，距离越长，变化形态越复杂，产生的累积误差越大，且极难修正，直接影响传感装置的测量精度，上述问题已成为制约长距离光纤形态传感装置在大型基础设施工程上应用推广的卡脖子难题。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法，基于可拼接式的柔性光纤传感装置，不仅可以监测结构的累计变形，而且还可以根据大型结构的尺寸自主拼接长度合适的柔性光纤传感装置，其中连接件内置倾角传感装置，既可以监测结构的倾斜和扭转变化，还可以对柔性光纤传感装置所测变形进行修正补偿，实现对大型结构更加精准的位移场监测。
[0006]一方面为实现上述目的，本专利技术提供了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统，包括：一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统，包括：可拼接式柔性光纤传感装置、倾角自感知连接装置和光纤解调装置；所述可拼接式柔性光纤传感装置，用于测量扭转信息和位移场；所述倾角自感知连接装置，用于所述可拼接式柔性光纤传感装置之间的连接和测量传感装置之间的倾角和扭转角；所述光纤解调装置，用于获取所述可拼接式柔性光纤传感装置的应变数据和倾角
自感知连接装置的倾角数据和扭转角数据，对所述传感装置的拟合位移场进行误差修正；若干所述倾角自感知连接装置之间连接若干所述可拼接式柔性光纤传感装置，所述光纤解调仪与所述倾角自感知连接装置的自由端连接。
[0007]可选地，所述可拼接式柔性光纤传感装置包括：连接凸台，连接凹槽，固定凹槽，光纤接头储存槽，光纤槽，光纤通道，第一光纤引出孔；所述连接凸台和所述连接凹槽分别位于所述可拼接式柔性光纤传感装置的两端，所述连接凸台与所述连接凹槽相适配；所述可拼接式柔性光纤传感装置的沿环向相等间隔设有3道所述光纤槽，所述可拼接式柔性光纤传感装置的内部中心设有所述光纤通道；所述可拼接式柔性光纤传感装置的两端分别对称设置所述固定凹槽和所述第一光纤引出孔，且所述固定凹槽基于所述光纤通道对称分布；所述光纤槽的内部嵌有应变传感光纤，所述应变传感光纤用环氧树脂密封，用于监测柔性光纤传感装置的位移信息和扭转信息；在所述光纤槽的两端均还设有所述光纤接头储存槽，所述光纤接头储存槽的深度大于所述光纤槽。
[0008]所述光纤通道的内部设有温度补偿光纤，所述温度补偿光纤处于宽松状态，不受应变影响，用于对应变传感光纤温度补偿；可选地，所述倾角自感知连接装置包括：固定突起，传感装置固定通道，固定部件和倾角自感知模块；所述倾角自感知连接装置内部设有所述传感装置固定通道，所述传感装置固定通道两侧对称设置的所述固定突起，所述固定突起与述固定凹槽相适配；所述固定部件位于所述倾角自感知连接装置的两端，用于将所述可拼接式柔性光纤传感装置固定在所述倾角自感知连接装置内部；所述倾角自感知模块位于所述倾角自感知连接装置的一侧，用于测量所述可拼接式柔性光纤传感装置连接处的倾角数据以及扭转角数据。可选地，所述倾角自感知模块包括腔体，所述腔体表面设置有第二引出光纤孔，所述腔体内侧顶部设置有光纤固定子装置，安装有光纤固定子装置，所述光纤固定子装置与多芯光纤一端连接，多芯光纤另一端固定连接有一端配重子装置，所述配重子装置用于在所述可拼接式柔性光纤传感装置倾斜时增加光纤弯曲幅度。
[0009]可选地，所述多芯光纤包括：一个中心芯和若干外芯，以及在所有纤芯的相同位置处刻上的光纤光栅；所述中心芯的位置处的光纤光栅，用于温度补偿；所述外芯的位置处的光纤光栅中任意选择两个与所述中心芯的连线不在一条直线上的光纤光栅，用于获取拼接后的所述可拼接式柔性光纤传感装置之间的扭转角与倾斜角；所述扭转角为：
其中为纤芯i的布拉格波长，为纤芯i的布拉格波长的变化量，表示纤芯i相对于中立面的角位置，和之间的相位可以是除π以外的任何值。
[0010]所述倾斜角为：其中，为传感装置的倾斜角，为纤芯i的布拉格波长，为纤芯i相对于中立面的角位置，为可拼接式柔性光纤传感装置之间的扭转角，R为弯曲半径，为光纤的杨氏模量，为截面面积的二阶矩，为自由光纤的长度，为光栅到固定点的距离，为附加配重球的重量，为重力加速度，为外芯到中心芯的距离。
[0011]另一方面为实现上述目的，本专利技术提供了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统的校正方法，包括：构建单个所述可拼接式柔性光纤传感装置的误差补偿库；基于所述误差补偿库，用于对每个柔性光纤传感装置的所拟合的二维坐标曲线进行误差补偿，对每个传感装置所拟合的位移曲线进行独立校正；基于预设方式对若干可拼接式柔性光纤传感装置、若干倾角自感知连接装置和光纤解调装置进行拼接，连接完成后，通过所述光纤解调装置获取所述倾角自感知连接装置的倾角和扭转角数据，对拼接后的传感装置所拟合的多个坐标曲线进行整体校正；进一步地，构建所述可拼接式柔性光纤传感装置的误差补偿库包括：构建所述可拼接式柔性光纤传感装置的变形数据库；基于所述变形数据库，构建所述误差补偿库；其中，构建所述可拼接式柔性光纤传感装置的的变形数据库包括：在测量前，对所述可拼接式柔性光纤传感装置进行预设变形处理，对传感装置不施加扭转，基于所述预设变形处理的结果，构建每一段所述可拼接式柔性光纤传感装置的所述变形数据库；所述预设变形处理包括：将所述可拼接式柔性光纤传感装置变形分为单端紧固、双端紧固和双端简支三种边界约束条件，对每种约束条件下，考虑中心点与偏心点单点多值加载、两点多值加载和三点多值加载情形，根据应变数据计算不同加载情形的原始曲率数据并记录实测坐标曲线；基于所述变形数据库，构建所述误差补偿库包括：对所述变形数据库中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，包括：可拼接式柔性光纤传感装置、倾角自感知连接装置和光纤解调装置；所述可拼接式柔性光纤传感装置，用于测量位移场；所述倾角自感知连接装置，用于所述可拼接式柔性光纤传感装置之间的连接，测量传感装置连接处的倾角和扭转角；所述光纤解调装置，用于获取所述可拼接式柔性光纤传感装置的应变数据和倾角自感知连接装置的倾角与扭转角数据，对拼接后的柔性光纤传感装置所测位移场进行修正；若干所述倾角自感知连接装置之间连接若干所述可拼接式柔性光纤传感装置，所述光纤解调装置与所述倾角自感知连接装置的自由端连接。2.根据权利要求1所述的自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，所述可拼接式柔性光纤传感装置包括：连接凸台，连接凹槽，固定凹槽，光纤接头储存槽，光纤槽，光纤通道，第一光纤引出孔；所述连接凸台和所述连接凹槽分别位于所述可拼接式柔性光纤传感装置的两端，所述连接凸台与所述连接凹槽相适配；所述可拼接式柔性光纤传感装置的沿环向相等间隔设有3道所述光纤槽，所述可拼接式柔性光纤传感装置的内部中心设有所述光纤通道；所述可拼接式柔性光纤传感装置的两端分别对称设置所述固定凹槽和所述第一光纤引出孔，且所述固定凹槽基于所述光纤通道对称分布；所述光纤槽的内部嵌有应变传感光纤，所述应变传感光纤用环氧树脂密封，用于监测柔性光纤传感装置的位移信息和扭转信息；在所述光纤槽的两端均还设有所述光纤接头储存槽，所述光纤接头储存槽的深度大于所述光纤槽；所述光纤通道的内部设有温度补偿光纤，所述温度补偿光纤处于宽松状态，不受应变影响，用于对应变传感光纤进行温度补偿。3.根据权利要求2所述的自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，所述倾角自感知连接装置包括：固定突起，传感装置固定通道，固定部件和倾角自感知模块；所述倾角自感知连接装置内部设有所述传感装置固定通道，所述传感装置固定通道两侧对称设置的所述固定突起，所述固定突起与所述固定凹槽相适配；所述固定部件位于所述倾角自感知连接装置的两端，用于将所述可拼接式柔性光纤传感装置固定在所述倾角自感知连接装置内部；所述倾角自感知模块位于所述倾角自感知连接装置的一侧，可自感制二轴倾斜角，用于测量所述可拼接式柔性光纤传感装置连接处的倾角数据以及扭转角数据。4.根据权利要求3所述的自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，所述倾角自感知模块包括腔体，所述腔体表面设置有第二引出光纤孔，所述腔体内侧顶部设置有光纤固定子装置；安装有光纤固定子装置，所述光纤固定子装置与多芯光纤一端连接，多芯光纤另一端固定连接有一端配重子装置，所述配重子装置用于在所述可拼接式柔性光纤传感装置倾斜时增加光纤弯曲幅度。5.根据权利要求4所述的自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，所述多芯
光纤包括：一个中心芯和若干外芯，以及在所有纤芯的相同位置处刻上的光纤光栅；所述中心芯的位置处的光纤光栅，用于温度补偿；所述外芯的位置处的光纤光栅中任意选择两个与所述中心芯的连线不在一条直线上的光纤光栅，用于获取拼接后的所述可拼接式柔性光纤传感装置之间的扭转角与倾斜角；所述扭转角为：其中为纤芯i的布拉格波长，表示纤芯i相对于中立面的角位置，和之间的相位可以是除π以外的任何值；所述倾斜角为：其中，为传感装置的倾斜角，为纤芯i的布拉格波长，为纤芯i相对于中立面的角位置，为可拼接式柔性光纤传感装置之间的扭转角，R为弯曲半径，为光纤的杨氏模量，为截面面积的二阶矩，为自由光纤的长度，为光栅到固定点的距离，为附加配重球的重量，为重力加速度，为外芯到中心芯的距离。6.应用于权利要求1
‑
5任一所述的一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统的校正方法，其特征在于，包括：构建单个所述可拼接式柔性光纤传感装置的误差补偿库；基于所述误差补偿库，用于对每个柔性光纤传感装置的所拟合的二维坐标曲线进行误差补偿，对每个传感装置所拟合的位移曲线进行独立校正；基于预设方式对若干可拼接式柔性光纤传感装置、若干倾角自感知连接装置和光纤解调装置进行拼接，连接完成后，通过所述光纤解调装置获取所述倾角自感知连接装置的倾角和扭转角数据，对拼接后的传感装...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正方，崔金桥，王静，时涛，徐旭，王立业，隋青美，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：