相似材料中光纤传感检测特性分析.pdf

第3 6 卷第4 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 6N o ．4 2 0 0 7 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yJ u l y2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 9 2 0 0 7 0 4 0 4 5 8 0 5 相似材料中光纤传感检测特性分析 柴敬，魏世 西安科技大学能源学院，陕西 明 西安7 1 0 0 5 4 摘要为了解决相似材料模拟实验中的变形检测问题，基于光时域反射技术和光纤光栅传感技 术，提出了在模拟实验中采用裸露光纤、一定结构光纤及光纤B r a g g 光栅作为传感器进行变形检 测的方法，研究并分析了以上类型光纤传感器在1 ．2 ，2m 平面应力模型中随着相似材料变形的 传输特性．结果表明裸露光纤不易形成微弯；自制蛇形微弯光纤传感器可以较为准确地捕捉到 材料内部的变形和破坏的信息；光纤B r a g g 光栅可以感知相似材料的应力变化．利用光时域反射 技术检测时要采取措施增大岩层垮落过程中的光纤损耗，可进行较大变形测试；利用光纤B r a g g 光栅时要考虑波长的动态范围，可进行小变形及破坏过程测试． 关键词相似材料；裸露光纤；蛇形微弯光纤传感器；光纤B r a g g 光栅；变形检测 中图分类号T D3 2 ；T P2 1 2 ．4 文献标识码A T r a n s m i s s i o nC h a r a c t e rA n a l y s i so fF i b e rO p t i c a lS e n s i n g i nS i m i l a rM a t e r i a lo fS i m u l a t i o nE x p e r i m e n t s C H A IJ i n g ，W E IS h i m i n g S c h o o lo fE n e r g yE n g i n e e r i n g 。X i ’a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，X i ’a n ，S h a a n x i7 1 0 0 5 4 ，C h i n a A b s t r a c t T ot e s tt h ed e f o r m a t i o no fs i m i l a rm a t e r i a li ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h et e s t i n g m e t h o dw a sp r e s e n t e dw i t hn a k e do rc e r t a i ns t r u c t u r ef i b e r ，o rf i b e rB r a g gg r a t i n g F B G e m b e d d e di nr o c kl a y e r so fm o d e l sb a s e do no p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r O T D R a n do p t i c a l f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y ．T h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r so ft h e s es e n s o r sw i t ht h es i m i l a r m a t e r i a ld e f o r m a t i o ni n1 ．2ma n d2 ．0m p l a n es t r e s sm o d e l sw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tm i c r o b e n d i n gc a n ’tb ef o r m e de a s i l yi nn a k e df i b e r ．T h es n a k e l i k em i c r o b e n d i n go p t i c a l f i b e rs e n s o rc a no b t a i nt h ei n f o r m a t i o no fr o c kd a m a g ea n dc o l l a p s ee x a c t l y ，a n dt h ef i b e rB r a g g g r a t i n gc a nd e t e c tt h es t r e s sc h a n g e ．S o m em e a s u r e sm u s tb et a k e nt oi n c r e a s et h ef i b e rl o s sa l o n gi tw h e nu s i n gO T D R ，w h i c hc a nt e s tb i gd e f o r m a t i o n ．T h ed y n a m i cr a n g eo fw a v e l e n g t h d r i f t ss h o u l db ec o n s i d e r e dw h e nu s i n gf i b e rB r a g gg r a t i n g ，w h i c hc a nd e t e c ts m a l ld e f o r m a t i o n a n dc o l l a p s eo fr o c k ． K e yw o r d s s m i l a rm a t e r i a l ；n a k e do p t i c a lf i b e r ；s n a k e l i k em i c r o b e n d i n go p t i c a lf i b e rs e n s o r ； f i b e rB r a g gg r a t i n g F B G ；d e f o r m a t i o nt e s t 相似材料模拟实验是以相似理论、因次分析作 为依据的实验室研究方法，广泛应用于水利、采矿、 地质、铁道等部门，至今已成为采矿工程、岩土工程 问题研究的一种主要方法‘卜2 I ．实验中的相似材料 收稿日期2 0 0 6 1 1 2 3 基金项目国家自然科学基金 5 0 3 7 4 0 5 5 ；陕西省重点实验室科研项目 0 2 J S 4 3 作者简介柴敬 1 9 6 4 一 ，男，宁夏回族自治区平罗县人，教授，博士生导师，工学博士，从事采矿工程、实验岩石力学及安全监测技术 方面的研究． E - m a i l c h a i j x u s t ．e d u ．c r s T e l 0 2 9 8 5 5 8 3 0 5 7 万方数据 第4 期柴敬等相似材料中光纤传感检测特性分析 用以模拟真实的岩石，它一般由河砂、碳酸钙、石膏 和云母粉经胶结而成，具有强度低、脆性大、易碎的 特点．相似材料模拟实验发展至今，实验设备与实 验技术相对滞后的问题严重阻碍了其发展，模型内 部的应力应变无法精确地测试．因此，提高实验的 测试手段显得尤为重要． 光纤传感技术是近几年发展起来的一门新技 术，它是根据检测光在光纤中传播时的光强、相位、 偏振态以及波长 或频率 等特征参量的变化，从而 实现外界的检测或计量．这项技术一经问世，就由 于其独特的优点而受到人们的广泛关注，使其应用 在许多领域，如现已应用在土木工程的结构变形监 测中，评估建筑物的质量[ 3 ] ．由于光纤纤径细，可塑 性好，可埋入复合材料或结构中来实现材料、结构 内部应变分布的实时监测[ 4 - 8 ] ．因此能放置在小孔 和缝隙等被测场地，且对被测场地扰动小． 本文将矿山开采工程问题典型化，在模拟矿山 开采岩层运动的相似材料模拟实验中将光纤传感 器埋入模型的岩层中，研究采用光时域反射技术和 光纤光栅技术监测相似材料下沉垮落阶段变形的 理论和技术． 1 光时域反射测试法 1 ．1测试原理及方法 当光纤某处受力、损伤时，该处反射光的强度 较高．反过来，可根据背向散射光信号结果来判断 光纤埋设处的材料受力、损伤状况．将一束光脉冲 发射人光纤中，由背向散射返回到光纤入射端所需 的时间，就可以确定光纤损耗特性、障碍点位置．这 就是光时域反射的基本原理． 工作面推进距离／c m a 裸露光纤 将光纤埋入相似材料模拟实验模型，光纤全部 是传感段，为了使相似材料与光纤具有好的相容 性，相似材料的变形和裂隙应使光纤产生弯曲变 形，设计了专门的传感器，即在光纤外加套管，称为 蛇形微弯光纤传感器[ 9 。0 。．其传感机理是微弯原 理，当套管自然埋设不平或者变形不一致时，套管 与套管之间就形成光纤的微弯，材料的进一步变形 必然由于这些微弯点而通过光纤感知；当材料出现 大变形时，套管限制了光纤的变形，光纤在宏观弯 曲中形成微弯点．这样既保护了光纤，使其不易折 断，又增大了光纤的弯曲，有利于对相似材料变形 的测试．具体结构如图1 所示． 一一苣b 』坠当 图1蛇形微弯光纤传感器 F i g ．1 S n a k e l i k em i c r o b e n d i n go p t i c a lf i b e rs e n s o r 实验架为1 ．2m 0 ．1 2m 平面应力模型．相 似材料通过配比设计实现各类岩层的模拟．模型铺 装高度4 0 ～5 0c m ，几何相似比1 0 0 ，容重比1 ．7 ， 开采煤厚2 ～4c m ，两侧各留1 0 ～2 0c m 的煤柱以 消除模型边界影响． 为了作对比分析，将裸露光纤与光纤传感器同 时实验． 1 ．2 实验结果分析 相似材料的变形过程中光纤损耗测试瞌线如 图2 所示． ∞ 罩 糕 辑 02 04 06 08 0 工作面推进距离／c m b 蛇形光纤 图2实验过程中光纤传感器损耗变化 F i g ．2 C u r v e so fl o s sc h a n g eo ff i b e rs e n s o rV Sa d v a n c i n gd i s t a n c ed u r i n gm i n i n g 图2 a 中，以裸露光纤作为传感器时模型埋设纤损耗不能与此时的顶板破断变形形成对照． 光纤3 层，实验整个过程中岩层破坏、移动而造成图2 b 为使用蛇形光纤传感器测试光纤损耗的 的18 ，2 8 ，38 光纤传感器弯曲损耗值变化很小，损结果．18 蛇形光纤传感器距煤层底板1 0c m ，28 传 耗值在0 ．1d B 范围以内，模型实验中上、下部位感器距煤层底板1 6c m ．在相似材料完全垮落前， 的相似材料变形具有明显的差异，反映在光纤损耗 光纤损耗有一个局部增大阶段，18 光纤增大1 5 ％， 值虽有差异，但差别不大．光纤损耗不能区分岩层 28 光纤增大1 3 ％ 工作面推进到2 0c m ；随着工 的变形状态．实验表明，裸露光纤很难形成微弯，光作面进一步推进又恢复到原值，或略有降低，但相 万方数据 4 6 0 中国矿业大学学报第3 6 卷 对处于稳定状态．垮落时呈迅速增长 工作面推进 到5 5c m ，18 光纤增大1 ．5 倍，28 增大2 ．1 7 倍． 由以上的实验结果可知，由于相似材料的强度 低于光纤石英玻璃，因此其破坏移动时，裸露光纤 直接埋设不但形不成微弯，而且破坏岩层．使用蛇 形微弯光纤传感器可捕捉到相似材料的变形信息， 岩层在垮落过程中具有明显的时序性，即依次发 展，光纤损耗值与垮落具有相关性，可分辨出变形 和垮落的过程．但准确地确定变形与光纤传感特性 的关系尚有难度． 2 光纤光栅传感测试方法 以光纤光栅传感原理为基础，将光纤光栅传感 器埋设于相似材料内部．材料的变形将使光纤光栅 应变发生变化，进而引起波长值的漂移n ．通过测 试波长偏移就可测试相似材料的变形．本文中如未 加特殊说明，F B G 或光纤光栅均指光纤B r a g g 光 栅． 2 ．1原理 当宽带光在光纤光栅中传输时，产生模式耦 合，满足反射条件的光被反射，其余的成为透射光， 如图3 所示．反射光波长满足以下条件 A B 2 n e u A ， 1 式中A 。为光纤光栅中心波长；7 1 鲋为光纤光栅有 效折射率；A 为光栅周期． 医T ㈡塔 应变 或应力 和温度是最能直接显著改变光 栅波长的物理量．温度恒定时，光纤光栅仅受轴向 应力时，由式 1 可推得波长变化与应变基本关系 为‘1 2 ] _ d A B 一 1 一K e ， 2 式中K 一警[ 户，。一u 夕，， P ， ] 为光纤光栅相 对波长漂移应变灵敏度系数；夕。，和P ，z 为弹光系 数；e 为轴向应变．由上式可知，光纤在受轴向拉应 力时，e 增大，光栅中心波长值增大；反之为减小． 由式 2 可将波长变化数据处理成应变结果． 对纯石英光纤，K 值约为0 ．2 2 ．因此，当光纤光栅 中心波长变化不大时，每一个微应变对应的波长变 化约为1 ．2p m ． 2 ．2 相似材料模型及测试系统 选用2m 0 ．2m 平面应力模型，几何相似比 为1 0 0 ．铺装总高为7 0c m ，分层厚2c m ，模拟煤层 厚为5c m ． 测试系统由测试用光纤光栅传感器、波长解调 仪组成．光栅传感器选用无封装裸露光纤光栅，埋 设方法为在相似材料铺装过程中将其直接埋设于 其中并压实．模型中沿水平方向埋设2 根光纤，定 义为F O I 和F 0 2 ，每根光纤上布置有5 个光栅，如 图4 所示．F B G l 至F B G 5 的初始中心波长依次 为15 2 4 ．6 5 4 ，15 2 7 ．0 6 6 ，1 5 2 9 ．1 0 1 ，15 3 1 ．3 6 6 ， 分别为15 3 3 ．6 9 6 ；F B G 工至F B G V 的初始中心波 长依次为15 2 5 ．1 2 3 ，1 5 2 7 ．4 3 7 ，1 5 2 9 ．4 7 3 ，1 5 3 1 ．3 8 4 ，15 3 3 ．9 7 3 ． 图4 模型光纤光栅测试系统 F i g ．4 F i b e rb r a g gg r a t i n gt e s ts y s t e m i nt h e2 ．0mm o d e l 确定光纤光栅的中心波长的动态范围时，充分 考虑相似材料的变形破坏，根据文献[ 1 3 ] 的结果， 光栅波长动态范围大于2 ～3n m ．铺装结束后，经 测试知，F 0 1 的F B G 4 与F B G 5 处出现断点． 2 ．3 实验过程 模型的开采顺序为距模型左边框3 0c m 处定 为切眼，依次向右推进，每次开挖5c m ，待模型稳 定1 0 ～2 0r a i n 后记录数据． 模型总的开采距离为1 3 0c m ．开采中上覆岩 层的变形破坏过程为开采至6 5c m 时直接顶垮 落，厚3c m ，长5 6 ．5c m ，且上覆岩层出现离层．至 8 0c m 时出现初次来压，垮高2 4c m ，至F 0 1 号光 纤光栅位置．开采至1 0 5c m 时出现第2 次来压垮 落，高度为3 7a m ．至1 3 0c m 时，模型第3 次来压 垮落，此为最终状态．岩层垮落过程中的部分形态 如图5 所示． 万方数据 第4 期 柴敬等相似材料中光纤传感检测特性分析 图5 2 ．0m 模型中岩层垮落过程 F i g ．5 C o u r s eo fr o c kc o l l a p s ed u r i n gm i n i n gi nt h e2 ．0mp l a n es t r e s sm o d e l 2 ．4 实验结果分析 ～6 0c m ，波长变化的范围较小，最大变化量不超过 2 ．4 ．1 F 0 1 位置光栅波长及岩层应力变化规律’0 ．0 6r i m ，如图6 a 所示；直接顶垮落后进入较大变 F 0 1 光纤上各光栅的波长变化过程可分为2 形阶段，推进距离为6 0 ～1 1 0c m ，波长变化明显且 阶段直接顶垮落前的小变形阶段，推进距离为0变化幅度增加，最大值为2 ．5 1 8n m ，如图6 b 所示． O1 02 03 04 05 0 6 0 工作面推进距离／c m a 推进距离0 - q s 0c m F B G l 一F B G 2 - o - F B G 3 - 一F B G 4 2 2 量1 蘸， 姒0 鲻0 ．0 工作面推进距离／c m b 推进距离0 M 1 0c m 图6F 0 1 号光纤光栅波长变化规律 F i g ．6 C u r v e so fw a v e l e n g t hd r i f to ff i b e rg r a t i n g si nF 01v sa d v a n c i n gd i s t a n c e 图6 a 为岩层小变形阶段，各光栅波长及岩层 内的应力变化规律为F B G l 波长曲线在工作面推 进距离的0 - - - 3 0c m 范围内处在零轴下方，形状呈 上凹抛物线型变化，3 0c m 时回至零点，据式 2 可 知，此点处的岩层经历挤压一拉伸后回到初始状 态；3 0 ～6 0c m 范围逐渐上升，对应位置岩层又开 始受拉应力且数值逐渐增加．F B G 2 在推进距离0 ～3 5c m 范围内波长值下降且为负值，即光栅承受 压应力，说明对应位置的岩层处在压应力区域；4 0 c m 时出现一明显下降台阶，随后保持平稳．F B G 3 波长呈逐渐变大的趋势，至6 0c m 达到最大值0 ． 0 6n m ，可判断此处的岩层在此范围内处于拉应力 状态．F B G 4 的波长在0 ～4 0c m 范围内呈增加趋 势，说明应力值增加，即此处的岩层处于拉应力范 围，且随着开采的进行应力值逐渐变大；4 0 ～6 0c m 00 6 o ．0 4 O0 2 蠢0 ．0 0 隧一00 2 半．O ．0 4 辎一0 ．0 6 ．0 ．0 8 ．0 ．1 0 一一一．．．．。。。；。| c 之 ．。一⋯⋯⋯7 。 02 04 06 08 0l O O 工作面推进距离／c m a 推进距离0 - 1 0 0c m 范围明显下降，即岩层的应力状态开始发生变化． 图6 b 中，在直接顶垮落后的6 0 ～7 5a m 阶段， 波长值增加幅度明显，最大变化0 ．7 2n m ．开采至 8 0c m 时，岩层初次垮落，各光栅波长值陡然增加， 随后呈平稳变化．这是由岩层的垮落高度超过光纤 所在层位所致．岩层的垮落使光纤受较大的拉力， 进而使光栅的波长值变化明显．光栅的波长变化与 模型开采过程中岩层初期受拉，后期受压且以拉应 力为主的应力状态以及最后的垮落过程相一致． 2 ．4 ．2 F 0 2 位置光栅波长及岩层应力变化规律 F 0 2 光栅波长变化也分为2 阶段岩层第2 次 垮落前的小变形阶段，推进距离0 ～1 0 0c m ，波长 变化量不大，最大为0 ．1 1 2r i m 图7 a ；第2 次垮落 后的岩层大变形阶段，推进距离1 0 0 ～1 3 0c m ，波 长增加量明显 图7 b ，最大为2 ．7 5 “ 1n m ． 工作面推进距离／c m b 推进距离0 - 1 3 0c m 图7F 0 2 号光纤光栅波长变化规律 F i g ．7 C u r v e so fw a v e l e n g t hd r i f t so ff i b e rg r a t i n g si nF 0 2V sa d v a n c i n gd i s t a n c e s 嘶∞舛∞北叭∞叭∞∞ O 0 0 0 0 0 O O O O g口、桧聪华籍 0 6 2 8 4 O 6 2 2 3 2 2 1，1 O O 0 gu／楼聪半燃 ●n m Ⅳv篇黑| ； 一一} } 万方数据 4 6 2 中国矿业大学学报 第3 6 卷 由图7 a 可知，在小变形阶段，推进距离的0 ～ 6 0c m 范围内，各光栅的波长值呈上升趋势，变化 平稳．当开采范围超过7 5c m 时，F B G 工处于采空 区位置，其波长值呈较为明显的下降趋势，至1 0 0 c m 时与初值相比减小0 ．0 9 5n m ；F B Gn 位于采空 区正上方，波长呈较为平缓的上升趋势，处于拉应 力状态；开采至1 0 0c m 时比初值增加0 ．0 5 5n m ． 由图7 b 知，岩层第2 次垮落后，即推进1 0 5 c m ，由于垮落高度处于F 0 2 所在层位，因此，各光 栅波长值陡然增加．F B G Ⅲ和F B G Ⅳ处岩层垮落 时变形最大，波长变化最明显，最大值为2 ．7 5n m ． 根据光栅的应变原理及以上的波长变化规律 可知，在岩梁垮落前的小变形阶段，0 ～7 5c m 范围 内各波长值趋于增大的趋势，因此，光栅处于受拉 的应力状态，且随着推进距离的增加而变大，即各 光栅处的岩层处于水平拉应力状态；7 5 ～1 0 0c m 范围内，光栅F B GI 位置的岩层应力状态发生变 化，应力值减小，F B G l I 位置应力逐渐变大，其余各 光栅受力保持稳定增长．在岩层垮落后的阶段，各 光栅波长值明显变大，与岩层的变化规律相同． 综上所述，光纤光栅不仅可以感知垮落前上覆 岩层内部应力的变化，而且可以在岩层垮落后有明 显的波长反映．最大波长变化为2 ．7 5n m ，已超过 其最大动态范围，考虑岩层垮落的光栅波长动态范 围应在3 ～4i l m ． 3结论 1 裸露光纤在脆性相似材料的变形测试过程 中不能形成微弯，因此，应采取措施增大光纤损耗． 蛇形光纤传感器既实现了微观变形监测，又达到了 宏观变形监测． 2 光纤光栅不仅可测试岩层垮落前应力的微 小变化，且可在岩层有较大变形时做出响应．因此， 使用光纤光栅测试相似材料的变形具有可行性，可 获取采动过程中岩层的应力状态．这对于提高相似 材料的测试水平具有一定的促进作用． 3 裸露光纤光栅容易折断，在今后的实验中 应考虑光栅的封装，在提高测试精度的基础上还应 保护光栅．此外还应考虑温度的影响． 参考文献 [ 1 ] 李鸿昌．矿山压力的相似材料模拟试验[ M ] ．徐州 中国矿、№大学出版社，1 9 8 8 1 - 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5 ． [ 6 ] N E L L E NPM ，B R O N N I M A N NR ，F R A N KA ． S t r u c t u r a l l ye m b e d d e df i b e rB r a g gg r a t i n g s C i v i l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s [ J ] ．S P I E ，1 9 9 9 ，3 8 6 0 4 4 5 4 ． [ 7 2S A N T O SJI ，S O U T OA ，HL A M E L AJG ，e ta 1 ． D y n a m i cr e s p o n s ei nc a r b o nf i b e rc o m p o s i t em a t e r i a l [ J 1 ．S H E ，1 9 9 9 ，3 6 7 0 2 6 8 2 7 6 ． [ 8 1W H I T T E NL ．S C H U L ZJP ，C O N T EEU ．L o n g g a g ef i b e rB r a g gg r a t i n gs t r a i ns e n s o r st o m o n i t o r c i v i ls t r u c t u r e s [ J ] ．S P I E ，2 0 0 1 ，4 3 3 0 5 6 6 5 ． [ 9 1 C H A IJ i n g ，W E IS h i m i n g ，C H A N GX i n t a ne ta 1 ． M o n i t o r i n gd e f o r m a t i o na n dd a m a g eo nr o c ks t r u c t u r e sw i t hd i s t r i b u t e df i b e ro p t i c a ls e n s i n g [ J ] ．I n t e r n a lJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i e a l M i n i n gS c i e n c e ， 2 0 0 4 ，4 1 3 4 1 3 ． [ 1 0 1柴敬．层状岩体变形与破坏光纤传感检测基础实 验研究[ D 1 ．西安西安科技大学能源学院，2 0 0 3 ． [ 1 1 ] 魏世明，柴敬，李毅．岩梁小变形的光纤光栅检 测方法研究[ J ] ．地下空间与工程学报，2 0 0 5 ，1 6 9 8 6 9 8 9 。 W E I S h i - m i n g ，C H A IJ i n g ，L IY i ．S t u d yo ns m a l l d e f o r m a t i o no fr o c kb e a mb yf i b e rg r a t i n gs e n s i n g m e t h o d [ J ] ．J o u r n a lo fU n d e r g r o u n dS p a c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，1 6 9 8 6 9 8 9 ． [ 1 2 ] 廖延彪．光纤光学[ M ] ．北京清华大学出版社， 2 0 0 0 1 9 9 - 2 0 5 ． [ 1 3 1 C H A IJ i n g ，W E IS h i m i n g ，L I UJ i n - x u a n ．S t u d y o nr o c kd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gu s i n gf i b e rB r a g g g r a t i n gi ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t [ J ] ．J o u r n a lo f C o a lS c i e n c e E n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，1 2 2 3 0 一3 3 ． 责任编辑王继红 万方数据