CN201293693Y - 一种基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测预警装置。涉及测量应力及管道系统技术领域。其特征是由管道应变监测装置、现场监测站、办公室的接收终端组成；以一定结构形式安装在滑坡内管道上的现场滑坡内管道应力监测装置的管体光纤光栅传感器(3)输出接现场监测站的自动光转换开关(6)，自动光转换开关(6)输出接光纤光栅解调仪(7)的输入，光纤光栅解调仪(7)的输出也接上位计算机(8)的输入；上位计算机(8)的输出接GPRS传输模块(9)，由办公室的接收终端GPRS接收模块(10)接下位计算机(11)的输入，下位计算机(11)的输出接报警器(12)和显示器。

Description

一种基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测装置

技术领域

本实用新型是一种基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测装置。涉及测量应力及管道系统技术领域。

背景技术

滑坡是指构成斜坡的岩土体在重力作用下伴随其下部软弱面上的剪切作用过程而产生整体运动现象。滑坡灾害是造成人类生命财产损失的地质灾害的主要形式之一。长距离输油或输气管道输送距离可达数千公里，穿越众多地质地貌单元，常不可避免地要穿过地质条件复杂的地区，如山区、冻土区等。因为选线的不充分或管道建设诱发滑坡或地震诱发滑坡等原因，在山区敷设的管道有可能在活动滑坡体内通过，管道的安全运营遭受这些活动滑坡的严重威胁。这些有可能要威胁管道安全的滑坡称之为管道滑坡。

在过去四十年的管道运输历史中，以滑坡为主的地质灾害曾多次造成管道事故。欧洲天然气管道事故数据小组(EGIG)调查的1970年到2001年的西欧管道事故中，7％是由地质灾害导致的；美国交通部统计的1984年到2001天然气输送数据表明，8.5％的事故是由地质灾害引起的；加拿大国家能源委员会调查显示影响加拿大运营的管道事故的12％是地质灾害导致的。1987年3月由地震导致的巨型滑坡使横贯厄瓜多尔管道发生40km长的断裂，停输两个星期，经济损失达7亿美元。1995年及1996年冬天，由于华盛顿西部的特强降雨诱发滑坡，导致美国西北输气管线三处管道发生断裂。

我国的管道工业正处在蓬勃发展之中，这些管道大多将我国西部丰富的石油天然气输送到我国的东部，而我国的西部、西南部集中了我国大多数山地，管道就不可避免地要穿越地质灾害严重地区。忠武输气管道忠县-宜昌409公里段处于渝东鄂西山区，山峰层峦叠嶂、高差显著，地形、地质条件复杂，发育有多组地质灾害易发岩层，是滑坡、危岩崩塌的频发地段。2003年建成投产的兰成渝成品油管道兰州至广元段，构造活跃，岩性破碎，地形切割发育，投产后投入巨资用于地质灾害防治，但2007年的调查显示威胁管道安全的地质灾害仍有530处之多。西气东输工程干线总长约4000公里，遭受各种地质灾害严重威胁，其中查明的滑坡灾害达39处之多。

面对众多的管道滑坡灾害，我国的管道运营公司经常采取积极的工程治理措施，但这些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防治工程也并非“一劳永逸”，设计施工的不确定因素较多，再者治理的周期长。而监测则是一种高效、低成本的防治措施。意大利SNAM公司将监测管道作为防治滑坡灾害的主要方式，他们对管道进行了长达三十年的监测，成功避免了大量的管道事故。我国的西气东输、忠武线等管道投产后对滑坡也进行有效的监测。

传统的管道应变监测以电阻式应变计、振弦式应变计为主，在耐腐蚀、抗干扰方面较差，稳定性也难以满足要求。近年兴起的分布式光纤传感技术(以BOTDR为代表)在滑坡或管道监测上已有一定的应用，但分布式光纤传感技术因为其空间分辨率低、解调成本高等缺点限制了其在管道应变监测方面的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种空间分辨率高、成本低的一种基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测装置。

本实用新型提出了一种基于光纤光栅传感技术的滑坡内管道应力监测装置。这种装置采用光纤光栅传感技术，对滑坡影响下的管道进行管道应变监测，实现了数据的实时自动采集、远程传输和自动分析。

光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG，简称光纤光栅)是近20年来迅速发展起来的微光学元件，是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。

光纤光栅传感是一种在由光纤刻制而成的波长选择反射器，其背向反射光中心波长λ_B与光栅周期Λ和纤芯折射率n_eff有关，即

λ_H＝2n_effΛ

FBG光纤光栅传感的基本原理是，当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅的中心波长产生位移Δλ_B，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。即

Δλ_B＝K_ε·Δε+K_T·ΔT

式中K_ε为应变传感灵敏度系数，K_T为光纤光栅温度传感灵敏度系数。

对于FBG纤芯为纯石英的情况，K_ε为1pm/uε，K_T为10pm/℃。光纤材质、写入工艺和封装材料都会影响FBG的应变和温度传感灵敏度系数，应用前必须对以上参数进行标定。

光纤光栅可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛应用。与传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：1.传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入各种大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；2.与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、光损耗低、光谱特性好、可靠性高；3.具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；4.轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；5.测量信息以波长编码，因而光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接与耦合损耗、光波偏振态变化等因素的影响，具较强的抗干扰能力；6.高灵敏度、高分辩力。

与广泛使用的布里渊光时域反射计BOTDR相比，光纤光栅传感器的优点有：1.对测量点能精确定位，分辨率高；2.成本低；3.能对传感部分进行加工、封装，使其更适合现场的恶劣环境。

由于这些优点，在岩土工程领域中，光纤光栅传感器很容易埋入岩土体中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围测量，技术优势非常明显，尤其体现在能获得长期、可靠的管道应变数据。

本管体应力的监测装置如图1和图2所示，是由管体应力监测装置、现场监测站、办公室的接收终端组成。以一定结构形式安装在滑坡内管道上的现场管体光纤光栅传感器3输出接现场监测站的自动光转换开关6，自动光转换开关6输出接光纤光栅解调仪7的输入，另外上位计算机8的一端输出接自动光转换开关6的一端输入；光纤光栅解调仪7的输出也接上位计算机8的输入；上位计算机8的输出接GPRS传输模块9，由办公室的接收终端GPRS接收模块10接下位计算机11的输入，下位计算机11的输出接报警器12和显示器。

该装置的电原理如图3所示，管体光纤光栅传感器3的PC接头用光纤与光转换开关6的PC接头连接，光转换开关6的R232直接接上位计算机8的R232，光转换开关6的PC接头连接光纤光栅解调仪7SM125的CH1端，光纤光栅解调仪7SM125的LAN端口接上位计算机8的LAN端口，上位计算机8的R232端口接GPRS传输模块9西门子MC35i的R232端口，GPRS传输模块9经天线GSM、GPRS网络，被GPRS接收模块10天线GSM接收后由R232接到下位计算机11的R232，下位计算机11的输出由R232接报警器12DS-7400的R232，下位计算机11的输出由VGA端接显示器的VGA端。

管体光纤光栅传感器3在管到上的安装结构是在滑坡的两侧边缘及滑坡的中心位置各布置一管道监测截面，且监测截面的间距不宜超过60m。在管道14的每个监测截面的外周均匀布置3个管体光纤光栅传感器3(见图4和图5)且3个管体光纤光栅传感器3布置在与管道14轴线垂直的平面上。安装管体光纤光栅传感器3时，完全刮开管道14防腐层，并打磨管道14表面至光滑，用快干胶3粘贴管体光纤光栅传感器封装24封装好管体光纤光栅传感器3。待三个管体光纤光栅传感器3全部粘贴好后，将管体光纤光栅传感器3的引纤一并引至地面，并进行保护。

当管道14轴向承受拉/压应力时，三个管体光纤光栅传感器3承受拉/压应变；按照一定的算法，由该截面三处应变，即可求出该管道14截面上最大应变的大小和位置。基于钢材弹性理论，即可求出管道14截面上最大的拉/压应力的大小。监测截面的选择对监测效果很重要。

大量的研究表明，滑坡13对管道14作用应力关键表现在轴向上，对管道14轴向应力的测量就能较好地判断管道14的可接受应力状态。因此，管体光纤光栅传感器3仅测量管道14轴向的应变。

现场监测站设置在滑坡现场，包括光纤接线盒、连接光缆5、光转换开关6、光纤光栅解调仪7、上位计算机8、GPRS传输模块9；由光纤光栅传感器的光纤接线盒和连接光缆5将滑坡13上的光纤光栅传感器接到监测站的光转换开关6，光转换开关6输出接光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7输出接上位计算机8，上位计算机8输出接GPRS传输模块9。光纤光栅传感器的光纤接线盒和连接光缆5将滑坡13上的光纤光栅传感器信号传输到监测站的光转换开关6，光转换开关6将信号转换给光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7解调出光纤光栅传感器的中心波长位移量给上位计算机8，上位计算机8自动计算出监测量输给GPRS传输模块9并接受GPRS传输模块9的信号进行控制，GPRS传输模块9将上位计算机8计算的监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接受终端，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机11。

其中：

光转换开关6：该光转换开关6选用市销产品；

光纤光栅解调仪7：用于解调出光纤光栅传感器的中心波长位移量；选用市销产品；

上位计算机8及程序：用于控制光纤光栅解调仪7解调的频率，并将光纤光栅解调仪7解调出的中心波长位移量自动计算出监测量，将监测量发送给GPRS传输模块9，并接受GPRS传输模块9的信号进行控制；上位计算机8选用市销产品，程序自编；

GPRS传输模块9：用于将上位计算机8计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接受终端，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机11。

位于办公室的接收终端包括如下2个部分：

1)GPRS接收模块10，用于接收现场监测站GPRS传输模块9发送的监测量，并传输给终端下位计算机11，也可给现场GPRS传输模块9发送反馈指令；

2)下位计算机11及程序，用于下载终端GPRS接收模块10的信号，并调用程序进行自动分析，将分析结果与报警阀值进行对比，必要的时候实施报警；

3)报警器12，用于当分析结果超过报警阀值时，发生声音警示信号；报警器12由下位计算机11及程序控制。

通过连接光缆5，将滑坡上的传感器信号传输到光转换开关6，光转换开关6将信号转换给光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7解调出传感器波长中心波长位移量并传感给上位计算机8，上位计算机8将解调仪解调出的中心波长位移量自动计算为监测量，并将监测量发送给现场GPRS传输模块9，GPRS传输模块9通过公众无线通信网络将信号传输给终端GPRS接收模块10，终端GPRS接收模块10发送给终端下位计算机11，终端下位计算机11将监测量与报警阀值对比，必要的时候给出报警。

本装置的优点表现在：

1)将光纤光栅传感技术应用于管道滑坡13对管道14作用力的监测，该技术抗干扰、耐腐蚀、易于组网等有时明显；光纤光栅传感技术易于实现自动实时监测，空间分辨率高，且成本较低；

2)管道应变监测，是在每个监测截面均匀安装3个传感器，通过特定的算法得出该监测截面的最大应变分布，用最少的监测点实现了监测目的，节约了成本，也减少的安装时间及对管道的损伤；

3)监测量通过光纤光栅传感技术来实现，易于构建监测系统，易于实现管道滑坡监测数据的实时自动采集分析及远程发布，远程实时自动报警；避免了繁琐的人工采集数据，减少了报警时间，这对管道应急措施的采取至关重要。

附图说明

图1基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测预警装置构成示意图

图2基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测预警装置原理框图

图3基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测预警装置电原理图

图4管体光纤光栅传感器3在管体上的安装位置示意图(横断面图)

图5管体光纤光栅传感器3在管体上的安装位置示意图(外表图)

其中3-管体光纤光栅传感器

5-光缆                    6-光转换开关

7-光纤光栅解调仪          8-上位计算机

9-GPRS传输模块            10-GPRS接收模块

11-下位计算机             12-报警器

13-滑坡                   14-管道

具体实施方式

实施例.本例是一试验装置，并在一宽100m、深29m、下覆基岩的滑坡体上作试验。本基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测装置如图1和图2所示，是由管道应力监测装置、现场监测站、办公室的接收终端组成。以一定结构形式安装在滑坡内管道上的现场管道应变监测装置的管体应变光纤光栅传感器3输出接现场监测站的自动光转换开关6，自动光转换开关6输出接光纤光栅解调仪7的输入，另外上位计算机8的一端输出接自动光转换开关6的一端输入；光纤光栅解调仪7的输出也接上位计算机8的输入；上位计算机8的输出接GPRS传输模块9，由办公室的接收终端GPRS接收模块10接下位计算机11的输入，下位计算机11的输出接报警器12和显示器。

该系统的电原理如图3所示，监测管体光纤光栅传感器3的PC接头用光纤与光转换开关6的PC接头连接，光转换开关6的R232直接接上位计算机8的R232，光转换开关6的PC接头连接光纤光栅解调仪7SM125的CH1端，光纤光栅解调仪7SM125的LAN端口接上位计算机8的LAN端口，上位计算机8的R232端口接GPRS传输模块9西门子MC35i的R232端口，GPRS传输模块9经天线GSM、GPRS网络，被GPRS接收模块10天线GSM接收后由R232接到下位计算机11的R232，下位计算机11的输出由R232接报警器12DS-7400的R232，下位计算机11的输出由VGA端接显示器的VGA端。

监测滑坡内管道应力的光纤光栅传感器的输出信号导通给光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7解调出光纤光栅传感器的中心波长位移量输给上位计算机8，光转换开关6给光纤光栅解调仪7导通信号的周期由上位机8控制。上位计算机8自动计算出监测量输给GPRS传输模块9并接受GPRS传输模块9的信号进行控制，GPRS传输模块9将上位计算机8计算的监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接受终端GPRS接收模块10，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机11处理后，由显示器显示并由报警器12报警。

管体光纤光栅传感器3在管到上的安装结构(见图4和图5)是在100m宽的滑坡13的两侧边缘及滑坡的中心位置各布置一管道监测截面，监测截面的间距为50m。在管道14的每个监测截面的外周均匀布置3个管体光纤光栅传感器3且3个管体光纤光栅传感器3布置在与管道14轴线垂直的平面上。安装管体光纤光栅传感器3时，完全刮开管道14防腐层，并打磨管道14表面至光滑，用快干胶3粘贴管体光纤光栅传感器封装24封装好管体光纤光栅传感器3。待三个管体光纤光栅传感器3全部粘贴好后，将管体光纤光栅传感器3的引纤一并引至地面，并进行保护。

当管道14轴向承受拉/压应力时，三个管体光纤光栅传感器3承受拉/压应变；按照一定的算法，由该截面三处应变，即可求出该管道14截面上最大应变的大小和位置。基于钢材弹性理论，即可求出管道14截面上最大的拉/压应力的大小。监测截面的选择对监测效果很重要。

其中：

光纤光栅传感器：选用自行设计封装的光纤光栅传感器。

光转换开关选用光隆SUM-FSW；

光栅解调仪选用SM125。

现场监测站设置在滑坡现场，包括光纤接线盒、连接光缆5、光转换开关6、光纤光栅解调仪7、上位计算机8、GPRS传输模块9；由光纤光栅传感器的光纤接线盒和连接光缆5将滑坡13上各个位置的光纤光栅传感器接到监测站的光转换开关6，光转换开关6输出接光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7输出接上位计算机8，上位计算机8输出接GPRS传输模块9。各光纤光栅传感器的光纤接线盒和连接光缆5将滑坡13上的光纤光栅传感器信号传输到监测站的光转换开关6，光转换开关6将信号转换给光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7解调出光纤光栅传感器的中心波长位移量给上位计算机8，上位计算机8自动计算出监测量输给GPRS传输模块9并接受GPRS传输模块9的信号进行控制，GPRS传输模块9将上位计算机8计算的监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接受终端，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机11。

其中：

光转换开关：选用光隆科技SUM-FSW；

光纤光栅解调仪：选用SM125；

上位计算机及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

GPRS传输模块：西门子MC35i

位于办公室的接收终端包括如下2个部分：

(1)GPRS接收模块10，用于接收现场监测站GPRS传输模块9发送的监测量，并传输给终端下位计算机11，也可给现场GPRS传输模块9发送反馈指令；

(2)下位计算机11及程序，用于下载终端GPRS接收模块10的信号，并调用程序进行自动分析，将分析结果与报警阀值进行对比，必要的时候实施报警；

(3)报警器12，用于当分析结果超过报警阀值时，发生声音警示信号；报警器12由下位计算机11及程序控制。

该系统的工作原理是这样的，滑坡13活动过程中，管道14承受滑坡13推力而发生管体14应力变化，通过管体光纤光栅传感器3测量。

其中：

GPRS接收模块10：选用西门子MC35i；

下位计算机11及程序：下位机选用研华IPC-610；程序自编。

报警器12：选用博世DS-7400。

用上述装置在进行监测时，滑坡13活动过程中，管道14承受滑坡13推力而发生管体14应力变化，通过管体光纤光栅传感器3就可测量。

经长时间的监测，本例易于构建监测系统，易于实现管道滑坡13监测数据的实时自动采集分析及远程发布，远程实时自动报警。避免了繁琐的人工采集数据，减少了报警时间，这对管道应急措施的采取至关重要。

Claims (3)

1.一种基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测装置，其特征是由管道应变监测装置、现场监测站、办公室的接收终端组成；以一定结构形式安装在滑坡内管道上的现场滑坡内管道应变监测装置的管体光纤光栅传感器(3)输出接现场监测站的自动光转换开关(6)，自动光转换开关(6)输出接光纤光栅解调仪(7)的输入，光纤光栅解调仪(7)的输出也接上位计算机(8)的输入；上位计算机(8)的输出接GPRS传输模块(9)，由办公室的接收终端GPRS接收模块(10)接下位计算机(11)的输入，下位计算机(11)的输出接报警器(12)和显示器。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测装置，其特征是该装置的电原理是：监测管道应力的管体光纤光栅传感器(3)的PC接头用光纤与光转换开关(6)的PC接头连接，光转换开关(6)的R232直接接上位计算机(8)的R232，光转换开关(6)的PC接头连接光纤光栅解调仪(7)SM125的CH1端，光纤光栅解调仪(7)SM125的LAN端口接上位计算机(8)的LAN端口，上位计算机(8)的R232端口接GPRS传输模块(9)西门子MC35iR232端口，GPRS传输模块(9)经天线GSM、GPRS网络，被GPRS接收模块(10)天线GSM接收后由R232接到下位计算机(11)的R232，下位计算机(11)的输出由R232接报警器(12)DS-7400的R232，下位计算机(11)的输出由VGA端接显示器的VGA端；

监测管道应力的光纤光栅传感器的输出信号经光纤光栅解调仪(7)解调出光纤光栅传感器的中心波长位移量输给上位计算机(8)；上位计算机(8)自动计算出监测量输给GPRS传输模块(9)并接受GPRS传输模块(9)的信号进行控制，GPRS传输模块(9)将上位计算机(8)计算的监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接受终端GPRS接收模块(10)，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机(11)处理后，由显示器显示并由报警器(12)报警。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的滑坡内管道应力监测装置，其特征是管体光纤光栅传感器(3)在管道(14)上的安装结构是：在滑坡的两侧边缘及滑坡的中心位置各布置一管道监测截面，且监测截面的间距不超过60m；在管道(14)的每个监测截面的外周均匀布置3个管体光纤光栅传感器(3)，且3个管体光纤光栅传感器(3)布置在与管道(14)轴线垂直的平面上；管体光纤光栅传感器(3)安装在管道(14)光滑的表面，用快干胶粘贴管体光纤光栅传感器封装(24)封装好管体光纤光栅传感器(3)；将管体光纤光栅传感器(3)的引纤一并引至地面，并进行保护。

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