基于BOTDA分布式光纤测试技术的试验研究

发布时间：2020-08-24 07:02

【摘要】：随着我国经济社会的快速发展,基础设施工程的建设规模不断扩大,在基础设施建设的过程中常常遇到一系列安全问题,如结构受力开裂、弯曲变形和变形破坏等,为预防工程建设中发生重大灾害,需要采用合理、有效的测试手段监控工程建设全过程,分布式光纤传感测试技术凭借着其高精度、稳定性、抗干扰、耐久性强等优点,可在工程中实现大范围、长距离、连续的全分布式的测试,作为新型的测试手段逐渐应用于工程的安全健康测试中。但光纤是易弯折断裂的脆性材料,使其在岩土变形测试的应用中遇到各种技术难题;现场布设条件的限制使得光纤对微裂缝识别、定位和准确测试需进一步研究。本文针对BOTDA分布式光纤测试技术在岩土工程灾害测试中的应用需求,通过设计三种基于工程应用的室内试验,分别研究分布式光纤在岩土工程测试中需解决的三个测试技术问题,提出了基于BOTDA分布式光纤应变传感技术的支护结构测试技术、灾害大变形测试技术和微小裂缝识别测试技术,为BOTDA分布式光纤应变传感应用于工程灾害测试提供了方法支持。论文的主要研究内容如下:(1)以BOTDA分布式光纤的传感原理和特性为基础,设计了岩土工程中桩体支护结构的室内测试方法和分布式光纤的测试、连接技术,推导了基于BOTDA分布式光纤应变传感测试技术的支护结构位移计算公式,开展了基于BOTDA技术的分布式光纤的简支梁支护结构室内试验,对比分析了分布式光纤测试的位移数据和百分表测试结果,有效验证试验方法的准确性,给出了桩体支护结构的分布式光纤测试技术和位移分析方法。(2)通过分析分布式光纤的拉伸特性,设计了基于多股光纤协调变形的光纤小应变岩土大变形测试室内试验方法和试验设备,分析了分布式光纤延展率对变形测试精度的影响,通过开展多组协调变形测试试验,研究了多股光纤的变形协调分析方法及光纤之间的应变连续耦合技术,给出了基于多股光纤协调变形的小应变大变形的分布式光纤位移计算方法,对比分析了光纤测试位移数据和实际变形量值,有效验证了基于光纤小应变的岩土大变形测试技术的合理性和准确性,为岩土工程灾害的分布式光纤测试提供了技术支持。(3)以分布式光纤的高应变敏感特性为依据,设计了微裂缝的室内识别、测试试验,研制了微裂缝扩展控制的辅助试验设备,开展了多组测试角度、不同微裂缝宽度的分布式光纤微小裂缝测试试验,通过对试验数据和加载变形的对比分析,提出了识别精度为0.01mm的结构微裂缝的分布式光纤定位测试技术,为岩土工程的混凝土支护结构测试提供了技术支持。图[63]表[11]参[53]
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU473.1
【图文】：

单模光纤,乃尔,光疏介质

图２．１单模光纤的结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ邋ｆｉｂｅｒ逡逑光纤的纤芯由圆柱状的内芯和外包层组成（如图２．１所示）。由斯乃尔定理（图逡逑２．邋２所示）介质出射到光疏介质时，会发生光路折射现象，即逡逑ｎ２邋■邋ｓｉｎ（＾邋）邋＝邋ｎ２邋■邋ｓｉｎ（＾ｒ）逦（２－１）逡逑式中：ｍ，邋Ｈ２邋—分别是光密介质、光疏介质的折射率；逡逑出，ｅｒ—分别表示入射角和折射角。逡逑当入射角大于折射临界角时，由下式逡逑＾逦＝邋ａｒｃｓｉｎ（？２１ｒ＼）逦＾－２）逡逑此时光会发生全反射现象。逡逑Ｉ逦｜逦！逡逑图２．２斯乃尔定理逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｔｈｅｏｒｅｍ邋ｏｆ邋Ｓｎｅｌｌ逡逑光纤作为光波的传输媒质（见图２．３），当光波在光纤中传播的同时，外界因逡逑９逡逑

原理图,光纤,原理,光波

如环境温度、外界压力和应变等条件的改变将引起光纤中如频率、相位、光强、逡逑偏振态等光波的特征参数发生变化，通过解调光纤中传输的光波参数来识别各种逡逑外界物理量的变化，由此产生了光纤传感技术，如下图２．邋４该技术是随着光纤通逡逑信技术的发展而应运产生的。逡逑光纤？逡逑厂邋，、逡逑入射光波＆邋ｒ＼逦入射光波的特征参豫：逦［、出射光波逡逑１逦＾邋＼邋ｙ逦振摇、扣位、振态、频率等邋＼邋）邋Ｉ邋．．邋．逡逑Ｚ一一逡逑外界因索：逡逑Ｕｓ度、压力、应变、位移等／＇逡逑、逦ｒ逡逑逦逡逑图２．邋４感技术原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑１０逡逑

示意图,技术原理,示意图,光波

逦ｙｃ＾ｒ＝＾逡逑图２．３光纤导光原理逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．３邋Ｔｈｅ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｆｉｂｅｒ逡逑２．２基于ＢＯＴＤＡ的分布式光纤测试技术逡逑分布式光纤测试技术是近些年来新兴的一种监控测量技术，其以光导纤维作逡逑为传感和信号传输媒介，以光作为信号载体的方式，来感知测量和传输外界被测逡逑量物理量信号的新型传感技术。在光纤通信领域中，需要使光信号在光纤内的传逡逑输过程中受到外界环境因素的影响达到最小，而在实际的应用过程中，外界环境逡逑因素极容易对光纤中传输的光造成不同程度的影响，使光波在光纤内传输过程中逡逑与外界环境因素相互作用，然后通过解调光波信号来获取需要测量的物理量。例逡逑如环境温度、外界压力和应变等条件的改变将引起光纤中如频率、相位、光强、逡逑偏振态等光波的特征参数发生变化，通过解调光纤中传输的光波参数来识别各种逡逑外界物理量的变化

【参考文献】