物理模型實驗中變形對光纖傳感器的影響

1、 物理模型實驗中變形對光纖傳感器的影響柴敬1,2,王正帥1,袁強1,李毅1,2,郝雷1,蘇普正1,2(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學(xué)教育部西部礦井開采與災(zāi)害防治重點實驗室,陜西 西安 710054摘要:本文通過對埋設(shè)在物理模型實驗中光纖光柵傳感器采集的數(shù)據(jù)和百分表數(shù)據(jù)進行對比分析,研究了物理模型實驗中巖層移動變形對光纖光柵傳感器靈敏度的影響。實驗結(jié)果表明,物理模型實驗中巖層移動變形量小于4.985mm 時,光纖光柵傳感器能夠準(zhǔn)確反映巖層的移動變形情況;巖層移動變形量在5.30130.953mm 范圍內(nèi)時,光纖光柵傳感器的靈敏度會大幅降低,但其仍然能反映巖層

2、的移動變形狀態(tài);當(dāng)巖層移動變形量超過30.953mm 時光纖光柵傳感器可能會失效,甚至損壞。 關(guān)鍵詞:物理模型實驗;光纖光柵傳感器;巖層移動變形;靈敏度0 引言光纖光柵是一種新型的光學(xué)測量器件?？蒲泄ぷ髡呓?jīng)過大量努力研制成功了能夠測量位移、壓力、應(yīng)變、溫度、電流等多種物理量的光纖光柵傳感器。由于光纖光柵傳感器具有體積小、靈敏度高、精度高、適應(yīng)性強、抗干擾能力強等很多優(yōu)點,備受人們青睞。1989年美國布朗大學(xué)(Brown University 門德斯(Mendez 等人首先將光纖光柵傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測1,2。加拿大最早使用光纖光柵傳感器對卡爾加里附近的 Beddington Trai

3、l 大橋進行測量3。Nellen 等人在瑞士 Alps 的 Luzzone 水電站大體積混凝土壩中埋布拉格光柵傳感器,對混凝土的溫度與應(yīng)變變化進行監(jiān)測4。北京郵電大學(xué)趙德新等人研究了光纖光柵傳感器在化學(xué)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)測量中消除溫度敏感影響的機理5。重慶大學(xué)趙延超等人發(fā)展了一種新穎的光纖模域振動傳感器,將其成功地用于虎門大橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)模型實驗中6。長江科學(xué)院段杭等人用光纖光柵溫度傳感器對三峽大壩壩前水溫進行監(jiān)測7。山東大學(xué)李術(shù)才等人研制出了新型光纖光柵位移、應(yīng)力、滲透壓力和溫度傳感器,成功實現(xiàn)了對突水過程多場信息的實時監(jiān)測8。西安科技大學(xué)柴敬等人研制出了在鉆孔中埋入光纖光柵傳感器監(jiān)測松散層沉降變

4、形的方法,形成了鉆孔埋入光纖光柵的巖層應(yīng)力應(yīng)變過程實時監(jiān)測的理論和技術(shù)9,10,并且將光纖光柵傳感器應(yīng)用于相似材料模擬實驗中,研究了光纖光柵技術(shù)監(jiān)測相似材料下沉垮落階段變形的理論和技術(shù)11,12。光纖光柵傳感器被廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)的同時也被越來越多地用于物理模型實驗的監(jiān)測。本文以光纖光柵傳感原理為基礎(chǔ),在相似材料模型實驗中埋設(shè)光纖光柵傳感器,利用光纖光柵傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與該點處百分表測量的巖層下沉量進行對比分析,找出了影響光纖光柵傳感器靈敏度的臨界巖層移動變形量,并對提高相似材料模型實驗中光纖光柵傳感器測量準(zhǔn)確性提出了一些建議。 1 光纖光柵傳感原理一束光注入光纖,滿足光纖布拉格條件就會產(chǎn)

5、生有效的反射,反射光的峰值波長稱為布拉格波長,該反射光的中心波長與光柵所受的軸向應(yīng)變和溫度呈線性關(guān)系13:T K K T B B+= (1式中,B 為光柵初始中心波長,B 為中心波長漂移量,、T 分別為光柵所受的應(yīng)變、溫度變基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(41027002;50774060中溫度恒定。光纖光柵與基體材料之間的粘結(jié)材料和封裝方式影響到光纖光柵傳感器的應(yīng)變傳遞,光纖光柵軸向應(yīng)變與基體材料沿軸向的應(yīng)變之間的基本表達式為13:,(L k m g = (2式中,m 為基體材料應(yīng)變,g 光纖光柵傳感器軸向應(yīng)變,(L k 為光纖傳感器黏貼長度平均應(yīng)變傳遞的系數(shù)。平均應(yīng)變傳遞系數(shù)表示為光纖傳感

6、器粘貼長度范圍內(nèi)所測量應(yīng)變的平均值,為:cosh(sinh(1kL kL kL m = (3 式中,m 為平均應(yīng)變傳遞率,即光纖光柵傳感器的測量應(yīng)變與基體實際應(yīng)變的比值;L 為光纖光柵傳感器的半長;k 為與光纖和中間層材料特性有關(guān)的參數(shù),由下式給出:ln(1(122gm g c gc r r r E E k m +=(4 式中,c m 、g E 、c E 、g r 和m r 分別表示中間層的泊松比、光纖的彈性模量、中間層的彈性模量、光纖的外徑和中間層的外徑。2 光纖光柵傳感器2.1 不銹鋼封裝光纖光柵傳感器傳感器由1節(jié)不銹鋼套管、兩節(jié)橡膠保護套和光柵組成,不銹鋼套管長度30mm ,直徑1.5m

7、m ,兩端用橡膠保護套固定,封裝后 長度35mm ,在不銹鋼套管左右7.5mm 處各鉆1小孔,從小孔注入環(huán)氧樹脂用于固定光柵,光柵與套管之間沒有填充物,如圖1(a 示。光纖光柵由單模摻鍺光纖的纖芯制作而成,光柵直徑(纖芯加包層0.125mm ,柵區(qū)長度1.5mm 。不銹鋼封裝光纖光柵傳感器可直接埋入被測結(jié)構(gòu)內(nèi)部,適用于有機玻璃、仿真混凝土等低彈性模量材料的應(yīng)變測量,可重復(fù)使用,安裝拆卸方便。2.2 醋酸乙烯封裝光纖光柵傳感器傳感器由一節(jié)醋酸乙烯套管和光柵組成,套管長度55mm ,直徑2mm ,與光柵兩端的光纖固結(jié),光纖與套管之間不加填充物,光柵直徑(纖芯加包層為0.125mm ,柵區(qū)長度1.5

8、mm ,封裝后的尺寸與套管的尺寸相同,如圖1(b 示。它可直接埋入被測結(jié)構(gòu)內(nèi)部,具有傳感器自身對被測結(jié)構(gòu)影響小,彈性模量小的特點,適合于低彈性模量材料的應(yīng)變測量,拆卸安裝簡單,可重復(fù)使用14。 3 物理模型實驗3.1實驗相似模型實驗?zāi)Ｐ鸵躁儽蹦车V大采高綜采工作面為原型,實驗選用了3m 平面應(yīng)力模型架進行鋪裝。模型尺寸為1300mm 200mm 1270mm ,煤層厚度4.5cm ,模擬工作面采高9m ,幾何相似比為1:200,容重相似比為1:1.5,應(yīng)力相似比為1:300。用河沙、粉煤灰、石膏和碳酸鈣作為相似材料,按配比混合加水?dāng)嚢杈鶆蚝蠓謱友b入模型架搗實,分層材料用820目的云母粉。圖1光纖

9、光柵傳感器圖4 測點1波長漂移量和下沉量 3.2光纖監(jiān)測系統(tǒng)光纖監(jiān)測系統(tǒng)由光纖光柵傳感器、光纖光柵傳感解調(diào)儀和數(shù)據(jù)采集計算機等構(gòu)成。采用MOI 光纖光柵傳感解調(diào)儀提供寬帶光源和波長解調(diào),準(zhǔn)分布的多個光纖光柵通過不同光纖光柵的反射波長與待測結(jié)構(gòu)各測量點的波長漂移量相對應(yīng)14。根據(jù)地質(zhì)資料和巖石的力學(xué)參數(shù),上覆基巖中共有4個含水層,含水層32厚度19.5cm ,位于煤層上方2cm 處;含水層31厚度10.5cm ,位于煤層上方34.5cm 處;含水層2厚度7.5cm ,位于煤層上方65cm 處;含水層1厚度30cm ,位于煤層上方78.5cm 處。本實驗共設(shè)5個觀測點,每個測點埋設(shè)一組光纖光柵傳感

10、器,安裝一個百分表,共五組,每組埋設(shè)兩個光纖光柵傳感器,一個豎直埋設(shè)(編號為奇數(shù),一個水平埋設(shè)(編號為偶數(shù),傳感器的埋設(shè)和百分表的安裝如圖2示。含水層32中埋設(shè)兩組,第一組FBG7和FBG8,第二組為FBG9和FBG10;含水層2中埋設(shè)三組,第三組為FBG1和FBG2,第四組為FBG3和FBG4,第五組為FBG5和FBG6。每個測點處再安裝一個百分表用于記錄巖層下沉量。光纖光柵傳感器和百分表的布置如圖3示。第一、二組為不銹鋼封裝光纖光柵傳感器,第三、四、五組是醋酸乙烯封裝光纖光柵傳感器。 3.3實驗過程實驗開始時先在距模型左邊界60cm 處開切眼,寬度4cm ,然后每次推進2cm ,共開挖88

11、次,工作面推進176cm ,共完成一次初次來壓和16次周期來壓。每次開挖后記錄保存一次光纖光柵傳感器波長漂移量數(shù)據(jù),同時記錄一遍測點百分表讀數(shù)。4 實驗結(jié)果分析4.1 波長漂移量和巖層下沉量分析FBG7位于工作面開切眼前方50cm 處,光 纖光柵傳感器波長漂移量變化量和百分表變化量(均指模型開挖一步所產(chǎn)生的變化量曲線見圖4,橫坐標(biāo)為工作面推進距離。工作面推進過程中,FBG7的波長漂移量均為正值,工作面推進至28cm 、36cm 、46cm 、54cm 、66cm 時,波長漂移量都出現(xiàn)明顯增加,增量分別為5.83pm 、10.53pm 、21.79pm 、21.82pm 、45.13pm ,相應(yīng)

12、的百分表變化量為0.457mm 、0.782mm 、1.856mm 、1.301mm 、2.896mm 。工作面推進至70cm ,測點1下部巖層垮落,波長漂移量驟然增加,增量高達150.16pm ,巖層下沉量也陡然增加,下沉量為30.953mm ;工作面推進至76cm ,測點1全部垮落,此后再未檢測到波長變化。FBG9位于測點2處(距離開切眼110cm ,與測點位于同一層位,在工作面推進084cm 范圍內(nèi)波長漂移量緩慢增加,在86124cm 范圍內(nèi)出現(xiàn)了5次迅速增加,當(dāng)推進至132cm 時,波長漂移圖2 光纖光柵傳感器的埋設(shè)和百分表的安裝圖3 實驗?zāi)Ｐ秃凸饫w光柵傳感器布置圖5 測點3波長漂移量

13、和下沉量 量驟然增加,增量為171.62pm ,此次下沉量高達31.025mm 。FBG3位于測點3處,其波長漂移量和下沉 量如圖5所示。其波長漂移量在工作面推進074cm 范圍內(nèi)處于均勻增加,工作面推進至76cm 、86cm 、94cm 、104cm 、112cm ,波長漂移量都出現(xiàn)迅速增加,其增量分別為 1.57pm 、3.85pm 、7.56pm 、21.99pm 、30.86pm ,與其對應(yīng)的百分表變化量分別為0.012mm 、0.123mm 、0.179mm、1.116mm 、2.201mm 、工作面推進至124cm 時波長漂移量驟然增加,增量高達89.83pm ,百分表變化量也陡然

14、增加為3.871mm ;工作面推進至132cm 時波長漂移量驟然減小,減小量為100.97pm ,百分表變化量為4.219mm 。工作面推進138150cm 經(jīng)歷了一次周期來壓,百分表變化量高達5.301mm ,但FBG3的波長漂移量增量僅為15.56pm ;工作面推進152160cm 再次經(jīng)歷來壓,百分表變化量達3.062mm ,但波長漂移量增量只有23.7pm ;工作面推進至162cm ,百分表變化量為4.933mm ,但波長漂移量增量僅為25.99pm ;工作面推進至170cm ,下沉量為1.662mm ,波長漂移量增量為14.82pm 。FBG5位于測點4處,波長漂移量在工作面推進08

15、4cm 范圍內(nèi)幾乎呈線性緩慢增加,在86132cm 范圍內(nèi)出現(xiàn)了6次迅速變化,當(dāng)推進至140cm 時,波長漂移量先增加后急劇減小,經(jīng)歷了從拉伸到壓縮的過程,波長漂移量變化量為114.75pm ,百分表變化量為4.985mm ;此后百分表變化量很大,但波長漂移量都較小。4.2 靈敏度分析將FBG7和FBG9的波長漂移量變化量和百分表變化量進行回歸,得出它們的線性回歸曲線如圖6示,模型巖層移動變形在03.176mm 時與其引起的傳感器波長漂移量變化具有相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.937,和0.974,能準(zhǔn)確反映巖層的移動變形情況。兩個不銹鋼封裝光纖光柵傳感器在相似模型實驗中的靈敏度(單位下沉量引起的

16、波長漂移量分別為12.899,12.467pm/mm ,平均12.683pm/mm 。另外,由實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)可知當(dāng)巖層下沉量超過30.953mm 時,光纖光柵傳感器會失效或被損壞。 波長漂移量與巖層下沉量對比分析(圖5來看,光纖光柵傳感器在經(jīng)歷了大的巖層移動變形量后,雖靈敏度大幅降低,但還是能夠反映出巖層的移動變形狀態(tài)。綜上所述,光纖光柵傳感器的靈敏度要高于百分表;當(dāng)巖層移動變形量小于4.985mm時,光纖光柵傳感器靈敏度很高,能夠準(zhǔn)確反映巖層的移動變形情況;當(dāng)巖層移動變形量在5.30130.953mm 范圍內(nèi)時,其靈敏度會大幅降低,但依然能反映上覆巖層的移動變形狀態(tài);當(dāng)巖層移動變形量超過30

17、.953mm時光纖光柵傳感器可能會失效,甚至損壞。4.3 封裝對傳感器靈敏度的影響本模型埋設(shè)了兩種不同封裝的光纖光柵傳感器,不銹鋼封裝的光纖光柵傳感器FBG7和FBG9靈敏度分別為12.899,12.467pm/mm,平均12.683pm/mm;醋酸乙烯塑料封裝的光纖光柵傳感器FBG3和FBG5靈敏度分別為40.747,52.809pm/mm,平均46.778pm/mm,后者靈敏度比前者高出3.68倍。兩種傳感器封裝材料彈性模量分別為202,8GPa,根據(jù)材料力學(xué),材料的彈性模量越小,受到相同應(yīng)力作用時其變形越大。由此可見,醋酸乙烯塑料封裝傳感器受力后更易變形,對巖層的變形更敏感。要對變形較大

18、的材料或結(jié)構(gòu)測量應(yīng)當(dāng)選擇彈性模量較大的材料作為傳感器的封裝。5 結(jié)論1 相似模擬實驗中巖層移動變形量小于4.985mm時,光纖光柵傳感器能夠準(zhǔn)確反映巖層的移動變形情況;巖層移動變形量在5.30130.953mm范圍內(nèi)時,光纖光柵傳感器的靈敏度會大幅降低,但其仍然能反映巖層的移動變形狀態(tài);當(dāng)巖層移動變形量超過30.953mm時光纖光柵傳感器可能會失效,甚至被折斷損壞。2 光纖光柵傳感器的靈敏度要高于百分表,并且能夠做到數(shù)據(jù)連續(xù)采集、數(shù)據(jù)充足,能夠更加細致準(zhǔn)確的展現(xiàn)巖層的移動情況。3 為了減弱巖層移動變形超過一定量時對光纖光柵傳感器靈敏度的影響,在埋設(shè)傳感器時應(yīng)考慮覆巖的碎脹系數(shù),模型最下部的光纖光柵傳感器不應(yīng)太靠近煤層。參考文獻1 N.Lagakos,et al.Multimode Optic Fiber Displacement SensorJ.Applied Optics,1981,20(2:167-168.2 A. Mendez and T.F. Morse,Application of Embedded Optical Fiber Sensors in Reinforced ConereteBuilding and Struc