以光纤应力传感为基础的山体滑坡监测系统分析

梅华 何军 孔德全 李海勃

摘 要：本文以光纤应力传感器为基础，设计了一种山体滑坡预警监测系统。首先简要分析了光纤应力传感的基本原理，探讨了监测山体滑坡内应力的具体方法，指出了检测系统的基本构成，最后就检测方法的可行性进行了实验验证。从中得知，山体滑坡监测系统的应力测量范围为0～14Mpa，测量距离为1km，空间分辨率为2m。

关键词：光纤应力传感器；山体滑坡；监测系统

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0067-02

针对山体滑坡来讲，其无论是对水利工程，还是对桥梁工程、建筑工程等，均有着非常大的危害，因此，对其进行准确、实时预警检测，十分必要且迫切。现阶段，主要检测方法主要有如下几种：降雨量监测法、地下水位监测法，以及诸如钻孔倾斜仪法、精密大地测量、机械-电子位移测量等以位移为运作轴心的监测方法，针对此些测量方法而言，获得或少的存在一些缺点与不足，比如无法实现数据处理，难以进行自动测量，在进行多点测量使需要过程的周期等。而对于分布式光纤应力传感器而言，其所具有的优点为多点测量不需要过长的时间、具有较强的抗电磁干扰能力、高灵敏度等，能够根据实际情况及需要，用作观测滑坡体内应力的变化，另外，还能实时、适时监测建筑、水利及桥梁等工程灾害。本文基于光纤应力传感器，介绍了一种山体滑坡监测系统。

1 光纤应力传感器概述

1.1 光纤应力传感器概述

对于光纤应力传感器而言，从根本上来讲，其就是以光纤路径待测力场为基本对象，对其具体的空间分布情况进行感知，另能感知其随着时间而产生的对应性变化，因而是一种比较先进、智能化的新型传感器。现阶段，在技术类别上已经出现多种，比如偏振模耦合相干、光频域反射（OFDR）、光相干域反射（OCDR）、调频载波（FMCW）等。针对上述这些技术来讲，当其处于实验室条件中，均能够得到比较理想的结果，性能都比较优良，但是如果实际应用到工程当中，那么其实用性便大大折扣。以光时域反射计（OTDR）为基础，所设计出的光纤压力传感器，不仅有着比较大的动态范围，而且在灵敏度上也比较高，除此之外，工程实用性也比较突出，基于此些优点，可将其用作监测滑坡体内应力的变化。本文介绍了一种将光纤应力传感器作为基础平台的监测系统，用此监测滑坡体内应力的具体分布情况，同时还能监测其总体的变化情况，因而是一种效果比较突出的用于山体滑坡预警的监测系统。经既往应用实践得知，此监测系统能够在山体滑坡中得到广泛应用，还能用作诸如建筑、桥梁等工程的灾害监测。

1.2 光纤应力传感器的基本原理

若把外界信号依据一定规律，使光纤发生较小周期的波状变化，光纤把沿其轴线所形成的具有一定周期性的微小弯曲、光纤弯曲等，导致传感损耗；针对光纤当中传输的光强，由于光纤微弯损耗受到一定程度的调制。针对微弯损耗来讲，模式耦合为其主要机理，也就是纤芯中传输的导模，以耦合的方式传输到辐射模中，并伴随辐射作用传至光纤之外。

针对光纤而言，如果其受到较大程度的微弯扰动时，那么受此影响，便会产生一定程度的微弯损耗，对于其大小来讲，通常能够比较准确的体现出引起光纤微弯扰动物理量的相应变化情况。针对滑坡内部所存在的应力而言，可借助于微弯调制机构，对光纤实施微弯调制，可以比较准确、全面的对滑坡内部的应力变化进行传感。在此过程中，可以将光纤所受微弯扰动设定为△P，也就是将应力变化量设定为△P，而将光纤微弯形变设定为△X，由其所产生的微弯损耗具体的变化量，可设定为△α，那么可以得到如下公式：

（1）

在此公式当中，所表示的是灵敏度系数，其不仅与微弯调制机构相对应的齿数与空间周期存在紧密关联外，还与光纤的传输特性之间存在相关性。如果用光线，将多个应力调制区串联在一起，通过光时域反射计（OTDR）的运用，探测微弯损耗，并对其进行相应定位，因而最终便能达到分布测量应力的目的。首先，可以将注入光纤的光脉冲峰值相应功率设定为P0，那么光脉冲沿着光纤，便会向Z位置处传输，当经过n个压力传感区之后，于光脉冲注入端处，便可获得后向散光功率P（Z），共公式可以表示为：

（2）

在此公式当中，α所表示的是光纤对应的衰减系数，单位为dB/km；η表示的是瑞利后向散射因子；而所表示的是第i个压力调制区相应前、后Z1点、Z2点的后向散射光功率P（Z1），用公式表示为：

（3）

（4）

将这个两个公式融合在一起，便能得到如下公式：

（5）

对此，在相关操作中，仅需将Z1点与Z2点的瑞利后向散射光功率求出来，即P（z1）、P（z2），然后利用公式（5），便能得出αi的具体数值，借助于扰动，产生前、后的αi，便能从中获得应力变化量为△P。

2 山体滑坡内应力监测方法分析

所谓滑坡，从根本上来讲，就是在重力作用下，呈斜坡状态的岩土体随着其下方的软弱面上所产生的剪切作用过程，而出现整体性运动的一种现象，所以，通过长期性或实时性的监测滑坡体内的应力分布情况，并对其变化趋向展开监测与分析，能够最终达到对山体滑坡进行监测预警的目的。

取一根标准钢管，对其进行对称开槽处理，然后在其中安裝敏感光线，在钢管上，以一种合理方式固定好应力传感头。于滑坡体上，实施钻孔处理，另外，还需要对孔径大小进行合理控制，使其≥110mm，然后在孔内置入事先准备好的钢管，在钢管的周围，用水泥砂浆实施回填操作，并进行振动、捣实处理，使钢管与砂浆成为一个整体，以此来切实保障滑坡体内应力，可以始终作用于应力传感头。于钢管内，可运用钻孔傾斜仪、机械-电子位移测量仪等，根据实际需要进行对比实验。

3 监测系统的基本组成

针对监测系统而言，其主要两部分组成，其一为信号探测与处理系统，也就是OTDR，其二为应力传感调制器。针对微弯调制机构来讲（周期性的），其主要由两部分组成，分别为定齿板与动齿板，在两板间放置敏感光纤。而对于动齿板，则将其固定于弹膜片的中心位置处，而对于定齿板而言，则固定于刚性壳体的底座上。针对此时滑坡体所产生的应力，可持续作用于弹膜片，使之产生应变，不断对动齿板予以带动，带动形成一定持续的微弯扰动，最终达到应力调制的目的。对于应力测量的具体范围而言，起到决定因素的是弹膜片的厚度及大小，也就是利用弹膜片均布载荷的应变计算公式，将应力应变计算公式设定为0～15Mpa。另外，运用OTDR技术，对应力调制所产生的光纤微弯损耗进行探测与定位，针对其光路部分而言，由探测器、光纤分路器、激光器、敏感光纤等组成。在具体的敏感光纤方面，则选用的是专门用于通信的单模光纤。在激光器方面，则采用的是半导体脉冲激光器；而对于探测器而言，运用的是具有比较高灵敏度的PIN光电二极管。针对信号探测与处理系统而言，其主要由LCD显示器、A/D转换器、脉冲驱动源、嵌入式CPU板及信号放大电路等组成。

4 实验结果与分析

针对整个实验来讲，所采用的是标准的1km光纤，而在光源方面，则选用的是半导体脉冲激光器（1.31um），输出光的具体的脉冲功率为79mw。在设计光脉冲的宽度时，可以选择的取值为100ns、20ns、10ns与50ns，如果所选值为20ns、10ns，那么都可以从中得到比较理想化、高质量的瑞利后向散射信号，因而能够切实保障2m的空间分辨率。

在针对信号所采用的光时域探测方法当中，保障系统的动态范围以及其空间分辨率，乃是设计整个监测系统的核心所在。针对动态范围来讲，其除了会对应力测试点数造成影响之外，还会对每点应力的具体测试范围产生影响；而对于空间分辨率而言，其则会对敷设传感头相应最小距离造成影响。因此，在设计设计过程中，通过采取有效措施，降低光接收电路的接收灵敏度，或者是提高高光脉冲的相应能量，均能使系统的动态范围得到提高。针对激光器而言，如果其有着比较有限的输出功率，一般情况下，通过对接收机电路进行优化，或者是对数字平均方法进行优化，同样能实现系统动态范围的提升。对于传感器的相应灵敏度而言，其一般会受到微弯调制机构的齿数及空间周期的影响，依据模式耦合所持有的最佳周期，对微弯调制机构相应空间周期进行设计，并且根据实际需要，适当增加变形区的长度，或者是齿数，能够实现盈利传感灵敏度的提升。

为了能够更加准确、全面的对滑坡体内应力监测方法的可行性进行验证，特意根据实际情况及需要，进行了有针对性的野外实验。于滑坡体相应下滑方向，以钻孔的方式，对此监测系统予以敷设，而选择坡面B、E两方向处，用作具体的监测工作，且配合开展了地下水位以及降雨量方面的监测。基于所得到降雨量、地下水位以及应力分布的变化曲线，经系统化分析得知，滑坡体的内应力变化曲线与降雨量的变化曲线、地下水位的曲线之间，有着较大程度的吻合，变化趋势也比较相似，由此表明，地下水位、降雨量变大，此时的内应力同样会随着而变大，所以，运用滑坡体内应力的监测方法是准确与可行的，适用性好。

5 结语

综上，本文以光纤应力传感为基础，探讨了一种时下比较实用的山体滑坡监测系统，实现了用滑坡内部应力的变化与分布来监测山体滑坡预警。针对此方法而言，其有着比较高的测量灵敏度，另外，还能实现组网监测以及多点分布式测量，有着比较好的工程应用性；还需指出的是，空间分辨率可借助于光纤绕组，或者是传感头的正反方向的交错排列，来深入提升。现阶段，此监测系统已经在长江三峡库区中得到很好的应用，此监测系统除了能够对山体滑坡进行预警监测之外，还能用作民用工程设置的监测，总体应用效果佳。

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