張渤
摘 要:文章提出了一種基于3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的地層沉降數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可實現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)控與自動處理。該地層沉降監(jiān)測系統(tǒng)硬件由光纖布拉格光柵(FBG)應(yīng)力傳感器,波長解調(diào)儀,3G路由器組成,軟件采用LABVIEW,遠程登陸控制軟件和B/S架構(gòu)組成。FBG采集數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器實現(xiàn)無線互聯(lián),實時對第四紀深厚松散地層沉降變形進行實時監(jiān)測。該系統(tǒng)可提高對不同地層的沉降進行精確測量,為緊急災(zāi)害預(yù)警及長期災(zāi)害治理提供可靠依據(jù)。
關(guān)鍵詞:光纖光柵;無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù);地層沉降
前言
地層沉降對地面和地下建筑都將造成巨大損害,嚴重影響生產(chǎn)和施工人員的安全,文章提出一種采用埋入高精度光纖布拉格光柵(FBG)應(yīng)力傳感器的方法,通過不同深度FBG獲得應(yīng)力數(shù)據(jù)判斷不同深度地層沉降大小。FBG具有體積小、波長選擇性好、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、帶寬范圍大、附加損耗小、耦合性好等特性,而且FBG制作工藝比較成熟,易于形成規(guī)?;a(chǎn),穩(wěn)定性和測量精度很高,因此它具有良好的實用性?;贔BG構(gòu)建多點準分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)地層沉降變形的長期、實時無線監(jiān)測系統(tǒng)[1]。
1 FBG地層沉降監(jiān)測原理
地層沉降監(jiān)測方法,是通過在不同深度不同地層結(jié)構(gòu)間,埋入一個或多個FBG應(yīng)力傳感器。地層巖層間的緩慢應(yīng)力變化導(dǎo)致FBG內(nèi)應(yīng)力變化,其中心反射波長將發(fā)生線性漂移,這樣地層內(nèi)部的應(yīng)力變化將于FBG中心波長成線性變化關(guān)系,如圖1所示。應(yīng)力會導(dǎo)致FBG反射光中心波長的改變,而測量環(huán)境的溫度往往是不穩(wěn)定的,溫度的變化也會導(dǎo)致FBG反射光的中心波長發(fā)生變化,F(xiàn)BG反射光的中心波長與應(yīng)力及溫度變化的關(guān)系為
式中 應(yīng)力和溫度變化引起的反射光中心波長的改變;?駐?著為應(yīng)力的變化;?駐T為溫度的變化量; 光纖的光彈系數(shù);為光纖的熱光系數(shù)。
由式(1)可以看出,溫度與應(yīng)力的變化均會引起FBG反射光中心波長的改變,因此需要溫度補償光柵抵消溫度引起的波長變化[2][3]。
圖1 4X6 FBG應(yīng)力監(jiān)測矩陣示意圖
2 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
有線傳感器組成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布線量大、維護費用高,并且在一些野外監(jiān)測中難以實施,文章提出基于3G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和B/S(Browser/Server)架構(gòu)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示。
系統(tǒng)采用Labview開發(fā)環(huán)境采集解調(diào)儀的波長數(shù)據(jù),3G無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h端服務(wù)器進一步處理,具體程序流程為:上電初始化的時候?qū)?yīng)力傳感器進行校正,然后一直處于等待接收計算機握手協(xié)議狀態(tài)。一旦接收到遠端計算機的握手協(xié)議,分析接收數(shù)據(jù)類型依據(jù)數(shù)據(jù)類型進行相應(yīng)操作。Labview控制程序如圖3所示。
3 結(jié)束語
文章主要介紹了基于FBG應(yīng)力傳感器的無線地層沉降監(jiān)測的設(shè)計研究工作。將無線應(yīng)力傳感器用于地層結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測,不僅省去布設(shè)導(dǎo)線的費用節(jié)省安裝時間,并且提供方便的數(shù)據(jù)共享模式,因此它具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻
[1]YJ Rao,et al.使用多路復(fù)用光纖布拉格光柵/光纖法布里-珀羅傳感器系統(tǒng)同時測量應(yīng)變、溫度和振動[J].Electronics Letters,1997,33(24):2063.
[2]Chai Jing,Liu Jinxuan,Qiu Biao,et al.玻璃纖維光纖布拉格光柵傳感器的松散地層變形檢測[J].隧道與地下空間技術(shù),26(2011):92~99.
[3]Qiao Xueguang,Ding Feng,Jia Zhen'an et al.基于高精度濾波光纖布拉格光柵解調(diào)技術(shù)的地震檢測[J].光學(xué)學(xué)報,2010,30(8):2219~2223.