專利名稱：結(jié)構(gòu)彎曲的分布式測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于結(jié)構(gòu)的彎曲的分布式測量系統(tǒng)，它包括為這種測量配備的線狀纜形設(shè)備和用于處理由上述設(shè)備生成的測量信號(hào)的裝置。
背景技術(shù)：
在土木工程建筑(樓宇、橋梁、道路、鐵路路軌等)領(lǐng)域，不均勻沉降、甚至無法預(yù)料的坍塌(局部坍塌)能夠引起嚴(yán)重的地面和地下事故，并且導(dǎo)致極高的維修費(fèi)用。這類事件可能是由于存在天然或人為空腔(礦山、隧道等)，這些空腔未曾進(jìn)行標(biāo)記，或者即使已經(jīng)知道，也不夠堅(jiān)固而且負(fù)載過大。
公共建設(shè)工程公司需要擁有適用于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(或在建結(jié)構(gòu))的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測地面沉降(空間上沿水平面的)的準(zhǔn)確變化，并在出現(xiàn)標(biāo)志局部坍塌的斷裂時(shí)觸發(fā)報(bào)警。這種測量系統(tǒng)(與地面接觸)的敏感部件應(yīng)當(dāng)能夠很容易地經(jīng)由小直徑的隧道(以盡可能非侵入的方式)安裝到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)之下，以便不干擾上述結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這個(gè)敏感部件也應(yīng)當(dāng)能夠(譬如說，以直徑通常為1至2米的繩股方式)進(jìn)行運(yùn)輸并安裝到測量現(xiàn)場而不會(huì)有太多麻煩。對(duì)沉降的希望分辯率應(yīng)當(dāng)在毫米數(shù)量級(jí)或更小，以便能夠預(yù)測更顯著的未來退化方式。要加以測量的區(qū)域的延伸長度隨應(yīng)用場合而變，應(yīng)當(dāng)在幾十到幾百米之間，有時(shí)會(huì)更長。
當(dāng)前存在一些能夠在被認(rèn)為是典型土木工程結(jié)構(gòu)的場所進(jìn)行特殊測量、從而能夠獲得地下特性信息的常用測量裝置，如經(jīng)緯儀、傾角儀、應(yīng)變儀、LVDT(線性差動(dòng)變壓器)傳感器。這些(間接)裝置不能準(zhǔn)確獲悉地面沉降的精確特性。
人們也實(shí)施了其他用于測量坍塌的方法，譬如在填充水銀的測試隧道中的一組遠(yuǎn)程壓力傳感器。分布式壓力測量能夠獲得相對(duì)于該區(qū)域之外的基準(zhǔn)點(diǎn)的高度變化。不過，這些方法在精確度方面不是十分有效，也不夠快速，而且因?yàn)樗鼈冃枰褂萌肆Γ詫?shí)現(xiàn)起來花費(fèi)很大。
還存在彎曲或曲率傳感器。
先有技術(shù)文獻(xiàn)(說明書后的參考文獻(xiàn)[1])描述光纖彎曲或曲率傳感器，它測量受彎光纖的、成波狀的或變形區(qū)域的光損耗。在穿過這種波狀區(qū)域的徑向平面上發(fā)生彎曲時(shí)，射到該光纖的部分光線在向外的方向上發(fā)生正比于彎曲大小的損耗。這時(shí)，測量光線損失的比例，就能夠由此推算曲率半徑，或者一個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)于另一個(gè)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度。在曲率方向未知的情況下，可以采用三光纖系統(tǒng)，該系統(tǒng)的各個(gè)光纖彼此之間相隔120°，成“玫瑰花”型排列。測量3個(gè)光線傳輸系數(shù)就能夠推算曲率半徑在光纖橫截面上的兩個(gè)主要分量以及這些主曲率相對(duì)位于要測量的結(jié)構(gòu)上的傳感器的位置的方向。
在這份文獻(xiàn)中，沒有對(duì)溫度靈敏度加以監(jiān)測。這樣就導(dǎo)致它在氣候條件無法控制的室外使用中的實(shí)際困難。而且，這種傳感器需要的光纖數(shù)目與測點(diǎn)數(shù)目相同(每根光纖一個(gè)測點(diǎn)以避免含混)，所以在有大量測點(diǎn)時(shí)，接線變得很困難而且花費(fèi)太大。另外，與期望的情況不同，該測量原理沒有提到對(duì)能夠使測量失真的光強(qiáng)度波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。?shí)際上，任何光損耗，不管其來源如何，都能夠間接歸因于曲率變化。這種波動(dòng)可能由于連接問題、粘合連接點(diǎn)的老化、沿測量光纖的微小彎曲等等引起。另外，因?yàn)楸仨氈鹨恍?zhǔn)傳感器而且該設(shè)定值能夠隨時(shí)間變化(理由同上)，所以必須定期重新校準(zhǔn)傳感器，這樣做費(fèi)用很高，而且在現(xiàn)場經(jīng)常并不切實(shí)可行，特別是該結(jié)構(gòu)在地下被密封的情況。
本發(fā)明的目的是通過提供結(jié)構(gòu)曲率的分布式測量系統(tǒng)來克服上述缺點(diǎn)，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)為這種測量配備的線狀纜形設(shè)備以及用于處理由上述設(shè)備生成的測量信號(hào)的裝置，它能夠執(zhí)行只有少量侵入(intmsivité)的測量，譬如已有或在建土木工程基礎(chǔ)設(shè)施之下的地面沉降，從而能夠在不管其扭曲狀態(tài)的情況下定位坍塌并確定沿其軸向的拉力分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)軸向變形和彎曲的分布式或分散式測量系統(tǒng)，它包括至少一個(gè)為這些軸向及彎曲變形進(jìn)行分布式或分散式測量而配備的線狀設(shè)備以及用于處理由上述設(shè)備生成的測量信號(hào)的裝置，其特征在于，每個(gè)設(shè)備包括圓柱形加強(qiáng)件，它支撐其周圍至少三根局部平行于該加強(qiáng)件軸線的光纖，而且其中該處理裝置提供了對(duì)來自這些光纖的信號(hào)進(jìn)行譜分或時(shí)分多路傳輸?shù)难b置。
根據(jù)第一種測量原理，每根光纖具有至少一個(gè)布雷格光柵變換器(transducteur àréseau de Bragg)，其中該處理裝置允許進(jìn)行分布式測量，而且該多路傳輸裝置是波長多路傳輸裝置。
根據(jù)第二種測量原理，該處理裝置允許進(jìn)行由布里淵(Brillouin)反射計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的分散式測量。
在優(yōu)選實(shí)施例中，這些光纖被排列在至少三個(gè)在該加強(qiáng)件邊緣形成的凹槽中。
優(yōu)選地，上述系統(tǒng)包括至少一根能夠執(zhí)行溫度自補(bǔ)償?shù)母郊庸饫w，它能夠包含沿其整個(gè)長度分布的布雷格光柵。這根附加光纖能夠被自由地插入低摩擦塑料細(xì)管。優(yōu)選地，該設(shè)備包括外殼。優(yōu)選地，該加強(qiáng)件通過玻璃環(huán)氧酯或玻璃乙烯酯類型復(fù)合材料的擠拉成型方法獲得。優(yōu)選地，金屬扣件能夠壓扣在該加強(qiáng)件上。這些光纖能夠通過將該測量值傳送到該處理裝置的多股光纜再集合到一起。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該加強(qiáng)件由定位纖維制品構(gòu)成。該設(shè)備包括7根具有相同半徑的、以六角形方式自定位的纖維制品，上述纖維制品中在該加強(qiáng)件周圍以120°間隔分布的三根是光纖。這些纖維制品能夠外涂聚合物膠，或者用細(xì)管固定。如果該加強(qiáng)件是光纖，那么至少能夠在其上刻印布雷格光柵，以便允許進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括在有關(guān)結(jié)構(gòu)之下以非侵入方式、通過能夠在安裝之后加以回填的隧道按照不同位置并根據(jù)不同角度方向進(jìn)行排列的多個(gè)設(shè)備。由施工引起的以及在該結(jié)構(gòu)使用期限內(nèi)的地面沉降由該設(shè)備上(與地面的摩擦引起)的拉力以及局部曲率的變化顯示，這些能夠通過該設(shè)備所承受的局部變形直接加以測量。
本發(fā)明的設(shè)備能夠(沿整個(gè)軸)測量由其軸向拉力引起的變形以及彎曲引起的變形(曲率半徑、彎曲面的方向)的分布情況，從而能夠計(jì)算自安裝以來產(chǎn)生的沉降。
多項(xiàng)測量技術(shù)可以被應(yīng)用于光纖，這些技術(shù)根據(jù)它們是連續(xù)的(分散式的)或特定點(diǎn)的(分布式的)而加以區(qū)分。
用于分布式測量(在位于沿該纜線的不同位置的多個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行的測量)的各種方法可以被設(shè)想用來裝備本發(fā)明的設(shè)備。布雷格光柵變換器是工業(yè)中最常用的傳感器，特別是在土木工程部門。白光干涉儀傳感器(“白光干涉測量法”)能夠被用作粘合到或附接到需要檢測其變形的結(jié)構(gòu)的表面的應(yīng)變儀。與單色光干涉儀不同，這些傳感器在重新連接后不需要重新校準(zhǔn)。其他傳感器，譬如法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀型傳感器，不允許沿同一根光纖進(jìn)行多路傳輸，因?yàn)樗鼈兛抗饫w端面反射來工作。而且，它們常常采用光源的整個(gè)光譜寬度以便使相干性長度最小從而改進(jìn)空間分辨率。所以，它們?cè)诠鈻胖斜仨毎凑掌叫袡C(jī)制(通過光學(xué)開關(guān))加以排列。
分散式測量(即沿該設(shè)備的連續(xù)測量)也可以采用參考文獻(xiàn)[2]中所述的布里淵反射計(jì)方法(“布里淵光學(xué)時(shí)域反射計(jì)”，B-OTDR)進(jìn)行。這種方法越來越多地得到應(yīng)用，因?yàn)樗軌驕y量施加到光纖的軸向變形以及它的溫度。但是，B-OTDR系統(tǒng)價(jià)格很高，它只允許進(jìn)行要做的靜態(tài)測量(響應(yīng)時(shí)間在幾分鐘和幾小時(shí)之間變化)。而且，變形測量的精度為100毫米/米的數(shù)量級(jí)，其效果只在布雷格光柵的20分之一到100分之一之間。不過，對(duì)布雷格光柵變換器數(shù)目很大(超過200)的長纜線而言，這種分辨率仍然具有競爭力。
本發(fā)明的系統(tǒng)具有如下優(yōu)越功能—它能夠?qū)Τ^百米(甚至千米)距離的、連接到地下的設(shè)備的整體彎曲狀態(tài)做分布式測量，而且能夠確定有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施之下的沉降變化(米級(jí)空間精度和毫米級(jí)深度精度)。實(shí)際上它沒有直接測量深度，而是測量沿該設(shè)備的彎曲變形的分布，這代表曲率半徑的分布，所以，是該沉降的分布的二階導(dǎo)數(shù)。合適的信號(hào)處理程序能夠獲得這種沉降沿該設(shè)備的分布。
—本發(fā)明的設(shè)備的圓柱形剖面十分有用。事實(shí)上很清楚，除了制造方便之外，這也是為了現(xiàn)場管理方面的原因，由于摩擦力，很難保證平面結(jié)構(gòu)(譬如帶狀物)在它通過很長(幾百米)的、具有小直徑的隧道時(shí)能夠維持其最佳取向(水平的傳感器平面)。另一方面，本發(fā)明的設(shè)備能夠隨意彎曲并經(jīng)受軸向拉伸，曲率的測量與它的扭曲和拉伸狀態(tài)無關(guān)。根據(jù)受“玫瑰花型”激發(fā)所獲得的概念，就可能不管扭曲狀態(tài)如何而重構(gòu)彎曲力矩分布，在這種形式中，變形在該設(shè)備周圍以精確的角度方向加以測量(譬如每隔120°)。
—本發(fā)明由于采用波長多路傳輸(基于布雷格光柵的方法)或時(shí)間解析測量(布里淵OTDR)而能夠處理非常大量的變換器，而且因?yàn)樗型扑]的傳感器(布雷格光柵、B-OTDR、白光干涉儀)都對(duì)光功率波動(dòng)不靈敏(隨意解除連接和重新連接而不需要重新校準(zhǔn))，所以能夠保證在很長的時(shí)期進(jìn)行穩(wěn)定的測量。
—向其附接光纖的結(jié)構(gòu)部分就是該設(shè)備本身，不需要任何相關(guān)的機(jī)構(gòu)，這對(duì)體積、重量和價(jià)格而言是十分有利的。而且，由于采用盤卷方法(盤卷-拉直)，該設(shè)備的實(shí)施操作能夠迅速、連續(xù)地進(jìn)行。最后，彎曲相對(duì)于外部結(jié)構(gòu)的定向不需要額外的傳感器，因?yàn)楸景l(fā)明中彎曲的測量與該設(shè)備的扭曲狀態(tài)無關(guān)。
—對(duì)有關(guān)結(jié)構(gòu)中(由于地面坍塌引起的)的斷裂的識(shí)別能夠由該設(shè)備兩端進(jìn)行詢問來執(zhí)行。線路上的傳感器的識(shí)別能夠定位該斷裂。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)能夠通過布雷格光柵技術(shù)或B-OTDR來實(shí)現(xiàn)。
—多個(gè)本發(fā)明的設(shè)備在至少兩個(gè)(最好正交的)方向上以及需要檢測的基礎(chǔ)設(shè)施之下的不同位置上并置就能獲得矩陣排列，從而能夠獲得沉降進(jìn)展的兩維映射。


圖1A和1B表示配備了布雷格光柵變換器的、本發(fā)明的設(shè)備的實(shí)施例，它們分別是縱向和橫截面視圖。
圖2表示本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施例。
圖3表示本發(fā)明的、用于測量由挖掘產(chǎn)生的沉降的設(shè)備的安裝。
具體實(shí)施例方式
如圖1A和1B所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括為了對(duì)結(jié)構(gòu)的彎曲、特別是對(duì)地面沉降進(jìn)行分布式測量而配備的線狀纜形設(shè)備10。設(shè)備10被連接到圖中未畫的處理裝置。這個(gè)設(shè)備包括可為實(shí)心也可為中空的圓柱形加強(qiáng)件11，它支撐其周圍至少三根局部平行于該加強(qiáng)件軸線的光纖12，舉例來說，它們被排列在三個(gè)凹槽15、16和17中。舉例來說，這些光纖被擠拉或粘合到這些凹槽。舉例來說，這些光纖具有按照玫瑰花型圖案分布在上述設(shè)備周圍的多個(gè)布雷格光柵變換器，這些變換器在這種情況下彼此相隔120°排列。這些變換器的相對(duì)波長變化能夠測量由于上述設(shè)備的局部彎曲和拉伸狀態(tài)以及溫度所引起的變形的分布。
圖1A示意性地表示排列在凹槽15中的光纖標(biāo)號(hào)1a、2a、…、10a，排列在凹槽16中的光纖標(biāo)號(hào)1b、2b、…、10b，以及排列在凹槽17中的光纖標(biāo)號(hào)1c、2c、…、10c。作為示例，6個(gè)布雷格光柵采用已知技術(shù)被光刻在每根光纖上，每米一個(gè)。光纖1a、1b和1c能夠測量第一個(gè)6米上的變形，光纖2a、2b和2c能夠測量第二個(gè)6米上的變形，等等。
在圖1B中，三根光纖12’對(duì)應(yīng)于在所考慮的橫截面上包括布雷格光柵的光纖。
加強(qiáng)件11可以是中空的或?qū)嵭牡?。此外，它可以用金屬制造，或者，為了重量、變形和抗腐蝕的原因，用合成材料制造更加有利。
此外，本發(fā)明的設(shè)備包括保護(hù)這些變換器、保證到測量單元的光學(xué)連接傳遞的外殼18。
在下面描述的優(yōu)選實(shí)施例中采用了布雷格光柵變換器，具有布雷格光柵的光纖處于明顯確定的位置。也能夠采用其他實(shí)施例。特別是，能夠采用通過B-OTDR方法進(jìn)行詢問的光纖。在這另一個(gè)實(shí)施例中，只有一根光纖是必須的，但為了所有實(shí)用的目的，每個(gè)槽中至少要有一根光纖以作冗余。
實(shí)施例布雷格光柵的度量學(xué)特性布雷格光柵的波長沿該光纖軸線直接隨溫度T和變形ε而變化。
布雷格光柵(自由光柵，未進(jìn)行粘合)的布雷格波長的相對(duì)變化是溫度的函數(shù)，可以寫成ΔλBλB=aΔT=(α+ξ)ΔT≈7·10-6·ΔT---(1)]]>在1.55μm的波長上，根據(jù)不同的光纖，這個(gè)系數(shù)具有10～12pm/K的數(shù)量級(jí)。當(dāng)布雷格光柵被粘合到合成材料結(jié)構(gòu)(玻璃-環(huán)氧酯)上時(shí)，它經(jīng)受與這個(gè)結(jié)構(gòu)的熱膨脹相應(yīng)的變形，其溫度規(guī)律如下ΔλBλB=a′·ΔT=((1-pe)·αs+ξ)ΔT≈13·10-6·ΔT---(2)]]>類似地，作為變形的函數(shù)的布雷格波長的相對(duì)變化涉及變形本身以及由這種變形誘導(dǎo)的折射率的變化(彈光效應(yīng))，其關(guān)系如下ΔλBλB=(1-pe)ϵ=1-(ne22(p12(1-ν)-p11ν))·ϵ=0.78·ϵ---(3)]]>其中ε是縱向變形，ne是纖芯指數(shù)(通常為1.47)，p11和p12是硅石的彈光系數(shù)(p11＝0.113；p12＝0.252)，ν是硅石的泊桑系數(shù)(通常為0.17)，而pe是硅石的光彈性常數(shù)(通常為0.22)。
在1.55μm的波長上，該系數(shù)大約為1.21pm/毫米/米，這實(shí)際上取決于硅石的摻雜情況。
布雷格光柵方法的優(yōu)點(diǎn)詳列如下—沒有電磁干擾(光學(xué)測量)，—波長多路傳輸和讀數(shù)(光譜信號(hào)與光功率無關(guān))—特定點(diǎn)的測量(局部測量)，—測量的有效傳遞(千米范圍)和接線的靈活性，—長時(shí)間的穩(wěn)定性和惡劣環(huán)境下的耐用性，—常用溫度范圍(-20℃，+50℃)內(nèi)的線性測量，—無須永久性連接(儀器使用可以隨意連接和解除)，—很低的插入損耗允許傳感器沿單條測量線串聯(lián)排列，—由于單個(gè)獲取單元的多路傳輸而優(yōu)化測點(diǎn)費(fèi)用，—在單個(gè)獲取單元中標(biāo)準(zhǔn)化的多參數(shù)測量(溫度、變形)以及單獨(dú)處理和顯示協(xié)議(分析中的相干性和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ))支撐加強(qiáng)件的制造支撐加強(qiáng)件11的最常用復(fù)合材料是由環(huán)氧化物或乙烯酯類基質(zhì)結(jié)合起來的玻璃纖維。這些材料通常通過擠拉過程獲得，該過程包括聚集平行纖維制品、牽引穿過樹脂槽。文獻(xiàn)[3]描述了這樣一種過程。一旦進(jìn)行注入，這些光纖就被牽引穿過加熱的拉模板。然后，在先行加熱然后進(jìn)行有控制冷卻的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行樹脂聚合。在它們被拉出拉模板時(shí)，所獲得的型面被切割成希望的長度。可供選擇的方法是用金屬扣件壓扣在通過擠拉方法制造的合成加強(qiáng)件上，就如參考文獻(xiàn)[4]所述那樣。附接螺母能夠附接可以將該設(shè)備牽引穿過地下測試隧道的牽引繩索。
加強(qiáng)件的實(shí)施一種方法是按照所選方向在擠拉機(jī)器供料心軸高度插入光纖。這種方法適合于大型工業(yè)場合。
另一種方法是在生產(chǎn)擠拉加強(qiáng)件之后在為此目的特制凹槽內(nèi)粘合光纖。下面說明這種小型場合的方法。
變形測量由一組三個(gè)位于凹槽15、16和17內(nèi)的布雷格光柵變換器進(jìn)行，這些凹槽按照特別規(guī)定的角度方向(最好的是每隔120°)制造，以便使由彎曲造成的變形的最大幅值始終以與該設(shè)備的扭曲狀態(tài)及它的縱向拉伸狀態(tài)無關(guān)的方式加以確定。在該設(shè)備周圍必須至少形成三個(gè)凹槽。事實(shí)上，也可以具有三個(gè)以上的凹槽以便獲得冗余。變換器數(shù)目由技術(shù)-電氣綜合因素決定。作為示例，對(duì)1米的空間距離，60米長的纜形設(shè)備包括180個(gè)變換器，下面以這種情況為例加以考慮。
布雷格光柵被(每米一個(gè))周期地光刻到每根光纖，每根光纖在光刻后重新排列，這些光柵被精確地定位。布雷格光柵變換器如圖1A所示按三個(gè)一組排列，所以在每個(gè)橫坐標(biāo)x，代表沿剖面測得的三個(gè)變形的三個(gè)波長偏移被關(guān)聯(lián)到一起。對(duì)三個(gè)凹槽15、16和17中的每一個(gè)，都必須平行放置多根纖維制品，以便能夠“覆蓋”該設(shè)備的整個(gè)長度。
多路傳輸能力是所選測量范圍的函數(shù)，參考文獻(xiàn)[4]中給出了多路傳輸?shù)氖纠?。作為示例，我們考慮±0.15％的變形范圍，這(在1.55μm波長上)相當(dāng)于大約±1.8nm，即3.6nm的光譜偏移。重疊由機(jī)械原因?qū)е碌倪@個(gè)光譜平移就是熱力原因?qū)е碌牟ㄩL平移(通常在1.55μm波長為～20pm/℃)。對(duì)于室內(nèi)使用范圍
，這相當(dāng)于0.6nm的波長偏移。所以總光譜偏移(熱力偏移+機(jī)械偏移)為4.2nm。通過維持安全裕量(防止任何光譜重疊)，通?？梢允狗峙浣o每個(gè)變換器的光學(xué)帶寬為5nm。由于該系統(tǒng)的光學(xué)帶寬通常為30nm數(shù)量級(jí)(常規(guī)頻帶稱為C帶)，所以，對(duì)于這個(gè)變形范圍，位于每根測量光纖部件的變換器數(shù)目就是每根光纖6個(gè)變換器。使用光譜較寬的光源(C+L帶)會(huì)成正比地增加每根光纖的多路傳輸布雷格光柵數(shù)目。
這些度量學(xué)價(jià)值在下面會(huì)作為示例加以考慮。于是，可以在每根光纖上布置6個(gè)布雷格光柵的RBi組件，每米一個(gè)組件。所以，RBi組件延伸長度為L＝6m。對(duì)每個(gè)凹槽，10根光纖的組件能夠覆蓋60米的長度D，如圖1A所示?？梢栽黾右桓?放置在這三個(gè)凹槽之一中的)附加光纖以便進(jìn)行溫度的自補(bǔ)償。舉例來說，這根附加光纖具有每隔10米分布的6個(gè)布雷格光柵。它能夠隨意地被插入低摩擦塑料(譬如特氟綸(Teflon))細(xì)管，所以這些光柵只對(duì)溫度敏感。
為了實(shí)施的可靠性和簡單性，對(duì)給定的測量線路，布雷格光柵全部光刻在同一根光纖上(它們之間沒有焊縫)。所以必須保證光刻在同一根光纖上的全部6個(gè)變換器的機(jī)械可靠性。這個(gè)可靠性由所謂“排除測試”方法來提供，這包括迅速牽拉光纖直到出現(xiàn)測試變形為止，以便保證該變換器抵抗這種變形。這種方法在被稱為“驗(yàn)證測試儀”的光譜機(jī)械裝置上進(jìn)行，它能夠進(jìn)行校準(zhǔn)的、可復(fù)制的牽拉。按默認(rèn)方式，這種“排除測試”采用1％的變形，該變形可以達(dá)到2％或更大。
在表示本發(fā)明的設(shè)備的剖面的圖1B中，在所考慮截面上包括布雷格變換器的測量纖維制品12’被粘合到每個(gè)凹槽15、16和17的底部，而其他9根纖維制品12從上面通過，以便達(dá)到該設(shè)備的每一端。作為演示，該分散式纖維制品的長度為30×60m＝1800m。
本發(fā)明的設(shè)備的特征總結(jié)在下表之中。

如下面的式(8)所示，變形的增加是曲率的函數(shù)(因此在曲率半徑減少的情況下增加)。所以，在需要測量的曲率半徑很小的情況下(譬如大約0.1mm-1)，本發(fā)明的設(shè)備的直徑必須比較小。
在用擠拉方法獲得的最小型面中，這個(gè)設(shè)備的型面如圖2所示。這另一種解決方法對(duì)應(yīng)于具有7根纖維制品的設(shè)備，它們按照六角形圖案自行定位，在這種情況下，該加強(qiáng)件由定位纖維25提供。3根光纖26、27和28按照彼此相隔120°的方式排列在纖維制品25的邊緣，并由定位纖維29加以隔離。這些纖維制品全部具有相同的直徑，最好用聚酰亞胺作襯里。電信中使用的單模光纖的標(biāo)準(zhǔn)直徑為125μm。加上聚酰亞胺涂層，外徑(Фext)為135μm數(shù)量級(jí)。某些公司提供具有較小直徑的、80μm數(shù)量級(jí)(加上聚酰亞胺涂層大約90μm)甚至40μm數(shù)量級(jí)的纖維制品。所以，這些纖維制品能夠按照與它們的直徑成正比的方式支持更小的曲率半徑。因?yàn)槔w維制品的制造對(duì)于尺寸有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，所以最好的方法是使用相同的纖維制品來制造自定位組件。不過，也能夠設(shè)想采用具有相同直徑但不同材料(譬如碳素纖維)的纖維制品來替換某些光纖(定位光纖29)，以便保證良好的剛性。
7根纖維制品25、26、27、28和29按照?qǐng)D2所示的六角形位置被放置在拉模板中。然后用聚合物膠30(譬如環(huán)氧材料)做涂層，使它們位置固定。另一種方法是，這些纖維制品也能夠通過內(nèi)徑大約等于纖維直徑三倍的細(xì)管固定。在(按每隔120°分布的)光纖26、27和28中的每一根上都光刻有布雷格光柵，以便在這些纖維制品的每個(gè)纖芯的水平上測量變形。這3個(gè)光柵位于該纜形物的同一剖面中。
于是，每個(gè)光柵承受的最大變形按照εmax＝Фext/ρ變化。適用于圖2結(jié)構(gòu)的方程組與方程組(10)相同，下面用Фext(每根纖維制品的直徑)來代替Ф/2(該纜形物的半徑)。
附加的光刻布雷格光柵可以合并到該組件以便進(jìn)行溫度補(bǔ)償。這時(shí)不是將它放到外部，最有利的是將這個(gè)光柵光刻到中央光纖25的纖芯。由于它位于中性光纖上，所以這個(gè)光纖25的纖芯沒有受到任何由彎曲引起的變形。但是，它對(duì)溫度和軸向變形引起的同樣效果很敏感，所以能夠同時(shí)根據(jù)如下簡單方程(角度交換120°就可以應(yīng)用于所有光柵)對(duì)這些項(xiàng)進(jìn)行直接補(bǔ)償ΔλaΔλa-ΔλdΔλd=Φextρ·cosψ·(1-pe)]]>設(shè)備的實(shí)施和光學(xué)接線舉例來說，在三個(gè)凹槽15、16和17中被粘合到加強(qiáng)件11的光纖12經(jīng)由一條將測量值發(fā)送到某臺(tái)裝置的多股光纜重新集合。然后，這些光纖在該設(shè)備末端再次分離以便被連接到光學(xué)開關(guān)。
多個(gè)布雷格光柵讀數(shù)儀器可以被用來獲得光譜數(shù)據(jù)。譬如說，如同參考文獻(xiàn)[4]中所述，可以采用一臺(tái)組合了寬帶光源(以1.55μm波長發(fā)射的摻鉺光纖)和干涉儀掃描腔的便攜式裝置。
數(shù)據(jù)的獲取在圖1A和1B所示的解決方法中，對(duì)每條測量線l(1≤l≤30)獲取每組6個(gè)值的數(shù)據(jù)。令p是位于每個(gè)凹槽的光纖部件數(shù)(1≤p≤10)。第一凹槽15按照線號(hào)l＝1至10依次配備(p＝1，然后p＝2等，直到p＝10)，第二凹槽16按照線號(hào)11至20配備，第三凹槽17按照線號(hào)21至30配備。令k為每個(gè)線號(hào)l上的光柵數(shù)(1≤k≤6)，按照上面的示例，每個(gè)凹槽j(1≤j≤3)具有10根光纖(所以是60個(gè)光柵)。
對(duì)每座建筑物，對(duì)應(yīng)關(guān)系ε(l，k)是已知的(因?yàn)楣饫w在該加強(qiáng)件上的分布已知，所以光柵在每條光纖上的分布也是已知的)。故而，l和k是操作人員能夠訪問的僅有的兩個(gè)參數(shù)。從這兩個(gè)接線參數(shù)，可以通過能夠在單獨(dú)的變形表中分配并重新排列這些數(shù)值的對(duì)應(yīng)方法來推導(dǎo)所有其他參數(shù)。(根據(jù)上述示例，)令DEF(j，i)是這樣維數(shù)為3×60的表，其中下標(biāo)對(duì)應(yīng)于凹槽號(hào)j(1≤j≤3)和沿該設(shè)備的橫坐標(biāo)i(1≤i≤60)。對(duì)應(yīng)于橫坐標(biāo)i的位置x(i)在下面被標(biāo)記為xi。對(duì)被粘合到該加強(qiáng)件的光纖部件進(jìn)行計(jì)數(shù)就給出如下方程l＝10·(j-1)+p (4)為了重新排列下標(biāo)(j，i)的變形表的數(shù)據(jù)而需要建立的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下j＝ent(l/10)+1 (5)p＝l-10·ent(l/10) (6)i＝6·p+k (7)其中函數(shù)ent()表示整數(shù)部分。
有利的是，布雷格光柵能夠根據(jù)具有常數(shù)值的周期h排列，所以諸光柵位置用簡單的方程xi＝i*h來描述。
也可能進(jìn)行其他任意配置。下面我們將考慮非常數(shù)周期hi＝xi+1-xi的一般情況。
存儲(chǔ)方法和現(xiàn)場安裝本發(fā)明的設(shè)備能夠在工廠制造后盤卷并到工作場所拉直以便在現(xiàn)場安裝。所以，該設(shè)備在安裝前要存儲(chǔ)一段時(shí)期。
存儲(chǔ)光柵必須經(jīng)受一段時(shí)間的存儲(chǔ)變形，這段時(shí)間有時(shí)會(huì)很長，而且也很少加以控制(溫度、濕度)。所以，為了防止布雷格變換器的過度存儲(chǔ)變形，要規(guī)定該設(shè)備的直徑Ф，以便保證它們的長期性能。但是，必須防止該設(shè)備的直徑太小以保證它在工作現(xiàn)場條件下的剪切強(qiáng)度并優(yōu)化曲率半徑的靈敏度。在考慮粘合到彎曲面的布雷格變換器時(shí)，彎曲變形εf根據(jù)如下方程直接取決于光纜ρ的局部曲率半徑ϵf=Φ2·ρ---(8)]]>如果考慮直徑1m的存儲(chǔ)卷軸(即0.5m的曲率半徑)，對(duì)最大允許存儲(chǔ)變形0.5％，可以得到最大設(shè)備直徑5mm，這是符合要求的。
現(xiàn)場安裝首先，將鋼制的或合成的牽引纜線插入隧道。這個(gè)操作可以隨設(shè)備安裝一道進(jìn)行，或者甚至提前進(jìn)行。最好采用這后一種方法，因?yàn)榈孛驺@孔最通常的是在整個(gè)長度上采用“套管”封固。這樣能夠防止因地面會(huì)聚引起的對(duì)洞穴的局部破壞，并有助于通過減小摩擦來插入設(shè)備。然后，牽引纜線被連接到壓扣到該設(shè)備的加強(qiáng)件上的扣件。然后，在隧道內(nèi)通過拖拉牽引纜線來拖動(dòng)加強(qiáng)件，以便將它從隧道拉出，從而將該設(shè)備引入上述隧道。
如果我們考慮50％玻璃-50％環(huán)氧合成物的加強(qiáng)件，則(對(duì)應(yīng)于最大允許變形ε的)最大允許拉力應(yīng)為F=π4·Φ2·E·ϵ---(9)]]>對(duì)最大允許變形0.5％，相應(yīng)的最大力為5.6kN，大約570kg。這個(gè)最大允許拉力與要施加的應(yīng)力相容，從而能將它安裝到現(xiàn)場。不過，為了安全原因，也可以附加額外的纜繩。然后可以注入灰漿(膨潤土)以便加固地面設(shè)備。再后進(jìn)行“零變形測量”來作為未來沉降進(jìn)展的比較點(diǎn)。
圖3示意性地表示這種安裝方法，在這種方法中開挖了隧道20以便在建筑物21之下和在建隧道22之上安置本發(fā)明的設(shè)備10，隧道20的端點(diǎn)A和B必須是(位于要監(jiān)測的區(qū)域之外的)固定點(diǎn)。點(diǎn)A的孔可以是非穿透的孔(盲孔)。當(dāng)點(diǎn)A和B處的孔為開放孔時(shí)，裝置可以被任意連接到點(diǎn)A或點(diǎn)B。在(由于坍塌引起)斷裂的情況下，該裝置必須繼續(xù)地連接到點(diǎn)A和點(diǎn)B，以便捕捉全部測量線。
數(shù)據(jù)處理和沉降曲線計(jì)算讀數(shù)裝置提供三份關(guān)于該設(shè)備截面變形與沿上述設(shè)備的距離x的關(guān)系的表格，以及一份用于測量溫度從而能夠建立任何必要的熱修正的表格。對(duì)每個(gè)橫坐標(biāo)x，數(shù)據(jù)處理首先相當(dāng)于分離軸向拉力ε和彎曲參數(shù)(彎曲半徑ρ)。然后，推導(dǎo)借以重構(gòu)沉降Z(x)的二階導(dǎo)數(shù)Z”(x)的表格。
參數(shù)的分離每份表格對(duì)應(yīng)于如圖1B所示的、彼此方向?yàn)?20°的三個(gè)凹槽15、16和17之一的變形測量。第一份表格對(duì)應(yīng)于測量值εa(x)，第二份對(duì)應(yīng)于εb(x)，第三份對(duì)應(yīng)于εc(x)。對(duì)該設(shè)備的每個(gè)點(diǎn)xi，需要求解的整個(gè)方程組如下Δλa=λa·[ϵ+Φ2·ρ·cosψ]·(1-pe)+λa·a′·ΔTΔλb=λb·[ϵ+Φ2·ρ·cos(ψ+2·π3)]·(1-pe)+λb·a′·ΔTΔλc=λc·[ϵ+Φ2·ρ·cos(Ψ2·π3)]·(1-pe)+λc·a′·ΔT---(10)]]>其中，光纖的參數(shù)前面已經(jīng)定義。角度ψ對(duì)應(yīng)于第一變換器相對(duì)于彎曲面(或者相對(duì)于該設(shè)備中性直徑剖面的法線)的方向，a’由式(2)給出，pe由式(3)給出。
(相對(duì)于已知絕對(duì)溫度參考狀態(tài)的)溫度差測量值ΔT由位于附近的溫度光柵提供。溫度差ΔT則由式(1)給出。
然后，通過如下作為示例給出的方程求得變形εaϵa=Δλa-λaλT·a′a·ΔλTλa·(1-pe)---(11)]]>
實(shí)際上，操作人員能夠認(rèn)為波長非常接近λa≈λb≈λc≈λT。這種近似是正確的，正確程度優(yōu)于1％。由方程組(10)，通過計(jì)算可以推導(dǎo)出對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行修正后的變形方程組ϵa=ϵ+Φ2·ρ·cosψϵb=ϵ+Φ2·ρ·cos(ψ+2·π3)ϵc=ϵ+Φ2·ρ·cos(ψ-2·π3)---(12)]]>這三個(gè)式子構(gòu)成的方程組能夠確定未知量(ε、ρ和ψ)。所以，軸向變形可以寫成ϵ=ϵaϵbϵc3---(13)]]>它通常相當(dāng)于玫瑰花型方程解的球形部分。角度ψ能夠通過如下方程確定在-π/2＜Ψ＜π/2的范圍內(nèi)tg(ψ)=ϵb-ϵc3·(ϵa-ϵ)---(14)]]>知道了ψ和ε，就能夠根據(jù)方程組(12)的第一個(gè)方程并采用眾所周知的如下三角式cos(ψ)=11+tg(ψ)2---(15)]]>推導(dǎo)出局部曲率半徑ρ。
單獨(dú)由于彎曲εf(x)引起的變形是該設(shè)備的局部曲率半徑的函數(shù)，其形式如下Z′′(x)=1ρ(x)=K·ϵf(x)---(16)]]>其中K是取決于該設(shè)備直徑和約束狀況的校準(zhǔn)常數(shù)(在第一種方法中K＝2/(Φ)。溫度效應(yīng)的修正對(duì)拉力變形測量值ε(式13)進(jìn)行。
沉降特征曲線Z(x)的重構(gòu)當(dāng)彎曲變形曲線εf(X)已知時(shí)，就能夠推導(dǎo)曲率半徑的特征曲線并根據(jù)式(16)推導(dǎo)函數(shù)Z”(x)。首先對(duì)這個(gè)方程進(jìn)行積分獲得沉降梯度Z’(x)，然后再由其推導(dǎo)Z(x)。該積分可以采用修正的歐拉方法求得。這種方法不同于傳統(tǒng)歐拉方法，它考慮(點(diǎn)i和i+1的)兩個(gè)末端導(dǎo)數(shù)的平均值，而不是只考慮(點(diǎn)i的)一階導(dǎo)數(shù)。一階導(dǎo)數(shù)Z’i采用如下遞歸公式計(jì)算Z′i+1=Z′i+hi2·(Z′′i+Z′′i+1)---(17)]]>這種方法相當(dāng)于二階有限泰勒級(jí)數(shù)展開。展開式(17)以端點(diǎn)值Z’1＝0和Z’(Xn)＝0為初始條件。也可以采用相當(dāng)于高階級(jí)數(shù)展開的其他方法。
然后，根據(jù)二階有限泰勒級(jí)數(shù)展開并結(jié)合Z’和Z”進(jìn)行第二次積分來獲得沉降特征曲線Z(x)，初始條件為Z1＝0和Zn＝0(參考區(qū)域)。再通過如下遞歸方程(二階泰勒級(jí)數(shù))獲得沉降特征曲線Zi+1=Zi+Z′i·hi+Z′′i·hi2/2---(18)]]>另一種方法通過參考文獻(xiàn)[5]中所述的所謂“樣條”函數(shù)考慮修正特性。這種修正的原理包括求取一組多項(xiàng)式，每個(gè)多項(xiàng)式以可能的最相似的方式連接諸點(diǎn)，通過對(duì)數(shù)值和一階導(dǎo)數(shù)應(yīng)用連續(xù)性條件將它們加以連接。所以，這種數(shù)學(xué)修正考慮物理介質(zhì)的物理連續(xù)性。通過尋找，得到了具有如下形式的三階多項(xiàng)式(“三次樣條函數(shù)”)來作為用來內(nèi)插沉降特征曲線的多項(xiàng)式Zi(x)＝ai·(x-xi)3+bi·(x-xi)2+ci·(x-xi)+di(19)Z1(x)是在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)Ai(xi，Zi)和Ai+1(xi+1，Zi+1)之間用內(nèi)插法求得的樣條函數(shù)曲線上的一個(gè)點(diǎn)。于是，有多少個(gè)段AiAi+1，就有多少組參數(shù)(ai，bi，ci，di)。所以，如果n是試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目，那么就有(n-1)個(gè)區(qū)間和4·(n-1)個(gè)描述這個(gè)“樣條”函數(shù)的參數(shù)。
讓我們考慮寬度為hi、兩端為點(diǎn)Ai和Ai+1的區(qū)間[i，i+1]。對(duì)這兩個(gè)點(diǎn)中的每一點(diǎn)都可以應(yīng)用“樣條”函數(shù)Zi(x)的公式。所以對(duì)同一個(gè)區(qū)間得到如下兩個(gè)方程對(duì)x＝xiZi＝di(20)對(duì)x＝xi+1Zi+1＝ai·hi3+bi·hi2+ci·hi+di(21)樣條函數(shù)(在點(diǎn)i+1)的連續(xù)性通過遞歸方式獲得Zi+1＝di+1＝ai·hi3+bi·hi2+ci·hi+di(22)類似地，在點(diǎn)i(x＝xi)的一階導(dǎo)數(shù)的方程為
對(duì)區(qū)間[i，i+1]的點(diǎn)x＝xiZ’i＝ci(23)對(duì)區(qū)間[i-1，1]的點(diǎn)x＝xiZ’i-1＝3·ai-1·hi-12+2·bi-1·hi-1+ci-1(24)為了保證斜率的連續(xù)性，這兩個(gè)導(dǎo)數(shù)必須相等。所以，我們得到一階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性方程Z’i＝ci＝Z’i-1＝3·ai-1·hi-12+2·bi-1·hi-1+ci-1(25)為簡化處理，常規(guī)方式是將這些方程代入該“樣條”函數(shù)的二階導(dǎo)函數(shù)。對(duì)每個(gè)區(qū)間i，這個(gè)二階導(dǎo)數(shù)可以寫成Z”(x)＝6·ai·(x-xi)+2·bi(26)接著，我們來定義代表每個(gè)區(qū)間的二階導(dǎo)數(shù)的向量Si(xi)。對(duì)規(guī)定區(qū)間i的兩個(gè)點(diǎn)Ai和Ai+1中的每個(gè)點(diǎn)，都能夠應(yīng)用式(26)，從而對(duì)同一個(gè)區(qū)間i得到對(duì)x＝xiSi＝2·bi(27)對(duì)x＝xi+1Si+1＝6·ai·hi+2bi(28)然后就能夠用公式將參數(shù)ai、bi和ci直接表示成向量Si的函數(shù)。于是我們得到根據(jù)式(27)bi=Si2---(29)]]>根據(jù)式(28)ai=(Si+1-Si)6·hi---(30)]]>根據(jù)式(20)和(21)ci=Zi+1-Zihi-ai·hi2-bi·hi]]>用Si的函數(shù)(式(29)和(30))替換ai和bi，就得到ci=Zi+1-Zihi-hi6·(Si+1-Si)-Si2·hi]]>第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于沉降特征曲線的梯度，所以該方程可以改寫為ci=Zi′-hi6·(Si+1-Si)-Si2·hi---(31)]]>用由式(30)、(29)和(31)分別給出的數(shù)值替換ai、bi和ci，式(25)就可以被改寫為這些參數(shù)Si的函數(shù)。于是，我們根據(jù)如下遞歸方程得到連續(xù)性方程
Si-1·hi-1+2·Si·(hi+hi-1)+Si+1·hi＝6·(Zi′-Zi-1′)(32)在固定間隔hi-1＝hi＝hi+1的情況下，這個(gè)連續(xù)性方程被簡化為Si-1+4·Si+Si+1＝6·Zi″ (33)所以，能夠確定參數(shù)Si(從而構(gòu)造“樣條”曲線)的遞歸方程(33)正好就是沉降特性曲線Zi的二階導(dǎo)函數(shù)，也就是說，正比于所測量的彎曲變形的分布。
式(32)和(33)對(duì)2≤i≤n-1成立，故而是n-2個(gè)方程。所以，適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ?，增加另外兩個(gè)相當(dāng)于邊界條件的方程以便最終構(gòu)造該樣條曲線。
位于該設(shè)備各端的兩個(gè)參考區(qū)域是為了用來定義沉降函數(shù)的初始條件以及它的兩個(gè)導(dǎo)數(shù)Z’和Z”。一旦被安裝到參考區(qū)域，該設(shè)備的端點(diǎn)在隧道出口高度上就是固定的、水平的(Z’1＝0，Z’n＝0)。為說明這點(diǎn)，我們認(rèn)為A和B具有固定參考高度(Z1＝0，Zn＝0)。另外，我們認(rèn)為，根據(jù)這個(gè)參考區(qū)域，至少有兩個(gè)測量區(qū)域處于水平位置，所以Z”1＝0且Z”n＝0。根據(jù)式(20)和(23)，分別有d1＝0、dn＝0以及c1＝0和cn＝0。因此參數(shù)(a1，b1)和(an，bn)像參數(shù)S1、S2、Sn-1和Sn一樣，也是零。
式(33)可以采用矩陣方式表示為Miξ＝SiZξ″。這個(gè)方程能夠通過迭代方式或通過計(jì)算逆矩陣求解，由此通過計(jì)算逆矩陣Miξ-1=coMiξTDet(Miξ)]]>就能求得Si。
接著，分別從式(30)和(29)推導(dǎo)向量ai和bi。可以歸因于這些參數(shù)的誤差主要是試驗(yàn)誤差，因?yàn)橛?jì)算非常簡單，不會(huì)導(dǎo)致顯著的數(shù)值分析誤差。
然后，考慮上述初始條件分別從式(25)和(22)(連續(xù)性方程)推導(dǎo)參數(shù)ci和di。這種重構(gòu)能夠從兩端進(jìn)行，從而可以用2來除需要處理的最大點(diǎn)數(shù)(對(duì)60米纜線通常為2×30個(gè)點(diǎn))。
結(jié)果的量化分析沉降深度測量的不確定性能夠通過考慮變形測量的不確定性來加以估計(jì)。事實(shí)上，公共建設(shè)工程公司要求±1mrad的精度(在1米空間周期上1mm的深度誤差)。角度梯度的不確定性可以寫成
Δ[dα(x)dx]=1mrad/m=2Φ·Δϵf(x)---(34)]]>對(duì)直徑5mm的裝備纜線，相應(yīng)變形測量的不確定性是±2.5微米/米。如果對(duì)多個(gè)值進(jìn)行時(shí)間平均從而減少波長測量的不確定性，沉降幅度的這一希望精度能夠通過特別提供的手段獲得。
最終，可以將局部彎曲信息和局部拉力信息加以比較。這種檢查提供了關(guān)于所遇到的地面沉降類型的信息。在沉降顯著、圓弧具有1m彎曲的情況下，平均曲率半徑記為ρ＝L2/(8·z)，對(duì)60m長的纜線則為450m。由于拉力引起的平均變形在一階情況下的變化為ε＝2·z2/l2，大約是560微米/米。但是，由于彎曲引起的變形只有6微米/米，這個(gè)值相當(dāng)?shù)?，接近于儀表分辨率。在這種情況下，拉力引起的變形明顯超過了彎曲引起的變形。
相反，在具有顯著局部彎曲的情況下(纜線在沒有拉力時(shí)的局部地面沉降和純彎曲)，彎曲變形能夠超過拉力變形。特別是在沉降曲線不連續(xù)從而引起對(duì)纜線的剪切力(從而產(chǎn)生顯著彎曲力矩)的情況下，就會(huì)遇到這種情形。
應(yīng)用示例在為土木工程類型的應(yīng)用進(jìn)行初始設(shè)計(jì)時(shí)，本發(fā)明的系統(tǒng)能夠被用于需要對(duì)變形和彎曲進(jìn)行分布式測量、甚至探測裂縫的許多應(yīng)用部門。
在土木工程領(lǐng)域，它能夠被用來監(jiān)測可能引起嚴(yán)重事故并導(dǎo)致極高維護(hù)費(fèi)用的不均勻沉降、甚至不可預(yù)見坍塌的進(jìn)展。這涉及大量基礎(chǔ)設(shè)施，包括樓宇、工程建筑物、高層建筑、橋梁、大壩、道路、鐵路、機(jī)場以及地面的或者近海的埋管或海底管線運(yùn)輸，譬如說，與地面接觸的上升管道的彎曲。它也能夠監(jiān)測在已有建筑物之下進(jìn)行坑道或隧道鉆孔時(shí)的地面變化以免造成損壞。在進(jìn)行掘進(jìn)施工時(shí)，監(jiān)督地面(變形、傾斜)能夠控制敏感區(qū)域的混凝土灌注站，從而補(bǔ)償?shù)孛娴某两?即所謂的補(bǔ)償灌注)。
本發(fā)明的系統(tǒng)還能夠在其他部門(譬如航空部門)被用來進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)(譬如寬體飛機(jī))中分布變形的機(jī)載或非機(jī)載測量。
參考文獻(xiàn)[1]US 5321257[2]“Industrial applications of the BOTDR optical fiber strainsensor”by H.Ohno，H.Naruse，M.Kikara and A.Shimada(opt.FiberTech.，7，2001，pages 45-64).(BOTDR光纖應(yīng)變傳感器的工業(yè)應(yīng)用)[3]FR 2791768[4]“Health monitoring of the Saint-Jean Bridge of Bordeaux，F(xiàn)rance，using Fiber Bragg gratings Extensometers”by S.Magne，J.Boussoir，S.Rougeault，V.Marty-Dewynter，P.Ferdinand，and L.Bureau(SPIE 5050，Conf.on Smart Structures and Materials，2-6 March 2003，San Diego，California，USA，pages 305-316)(采用光纖布雷格光柵伸長器對(duì)法國波爾多圣讓大橋的健康狀態(tài)監(jiān)測)[5]“Applied Numerical Analysis”by C.F.Gérald(Addison-Wesley，1970，pages 290-293)(應(yīng)用數(shù)值分析)
權(quán)利要求
1.一種用于結(jié)構(gòu)的軸向和彎曲變形的分布式或分散式測量的系統(tǒng)，包括至少一個(gè)為這些軸向和彎曲變形進(jìn)行分布式或分散式測量而配備的線狀設(shè)備(10)，以及用于處理由上述設(shè)備生成的測量信號(hào)的裝置，其特征在于，每個(gè)設(shè)備包括圓柱形加強(qiáng)件(11)，用于支持其周圍至少3條局部平行于該加強(qiáng)件軸線的光纖(12)，而且，該處理裝置提供了用于對(duì)來自光纖的信號(hào)進(jìn)行譜分或時(shí)分多路傳輸?shù)难b置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，每條光纖具有至少一個(gè)布雷格光柵變換器，其中該處理裝置允許進(jìn)行分布式測量，而且該多路傳輸裝置是波長多路傳輸裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，該處理裝置允許進(jìn)行通過布里淵反射計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的分散式測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖(12)被排列在至少3個(gè)在該加強(qiáng)件周圍形成的凹槽內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其特征在于，該加強(qiáng)件是實(shí)心的或中空的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，包括至少一條能夠進(jìn)行溫度自補(bǔ)償?shù)母郊庸饫w。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其特征在于，上述附加光纖具有沿其整個(gè)長度分布的布雷格光柵。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其特征在于，上述附加光纖可自由地插入低摩擦的塑料細(xì)管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，該設(shè)備(10)包括外殼(18)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，該加強(qiáng)件通過擠拉玻璃環(huán)氧或玻璃乙烯酯合成材料來獲得。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，金屬扣件被壓扣在該加強(qiáng)件(11)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，這些光纖經(jīng)由將測量值傳送到所述處理裝置的多股光纜重新集合到一起。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，該加強(qiáng)件(11)由定位光纖(25)生成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其特征在于，它包括7條具有相同直徑、以六角形圖案自行定位的纖維制品(25、26、27、28、29)，在該加強(qiáng)件周圍成120°間隔分布的3條纖維制品(26、27、28)是光纖。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其特征在于，這些纖維制品外涂聚合物膠(30)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其特征在于，這些纖維制品用細(xì)管固定。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其特征在于，該加強(qiáng)件是一條光纖(25)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個(gè)布雷格光柵被刻在光纖(25)上以便進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于，該系統(tǒng)被應(yīng)用于對(duì)可能坍塌的地面的軸向和彎曲變形進(jìn)行分布式或分散式測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于對(duì)結(jié)構(gòu)的軸向和彎曲變形進(jìn)行分布式或分散式測量的系統(tǒng)，包括至少一個(gè)為這些軸向和彎曲變形進(jìn)行分布式或分散式測量而配備的線狀設(shè)備(10)，以及用于處理由上述設(shè)備生成的測量信號(hào)的裝置，其中每個(gè)設(shè)備包括圓柱性加強(qiáng)件(11)，用于支撐其周圍至少3條局部平行于該加強(qiáng)件軸線的光纖(12)，而且其中該處理裝置提供了用于對(duì)來自諸光纖的信號(hào)進(jìn)行譜分或時(shí)分多路傳輸?shù)难b置。
文檔編號(hào)G01M11/08GK1930507SQ200580007776
公開日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2005年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月11日
發(fā)明者西爾萬·馬涅, 皮埃爾·費(fèi)迪南 申請(qǐng)人:原子能委員會(huì)