CN109000613A - 一种采空区地质沉降三维快速检测*** - Google Patents

一种采空区地质沉降三维快速检测*** Download PDF

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白清
迟延光
王云才
王东
王宇
田振东
郭凌龙
高妍
张明江
刘昕
张红娟
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Abstract

本发明公开了一种采空区地质沉降三维快速检测***，采用基于分布式光纤应变检测***与光纤光栅应变解调***相结合的三维检测***，解决了传统的检测***精度高但范围小或范围广但成本高的问题。通过特殊的安装方式，可采集到地质沉降区域三维的应变数据，对判断地质沉降程度有更好的认识。本发明具有以下特点：响应速度快，精度高，实时性好；结构简单，三维结构铺设，更易于模块化制作，可测三维数据；保证检测精度的前提下，检测范围广，可大范围铺设；设备深埋地下不受气候影响，全天候保持高精度测量；测量全程自动化，无需人力亲力亲为；地下三维数据检测，有利于对地质沉降建模；光纤传感器可应对地下各种恶劣环境，长时间运行。

Description

一种采空区地质沉降三维快速检测***
技术领域
本发明涉及光纤应变检测技术领域，尤其涉及一种采空区地质沉降三维快速检测***。
背景技术
分布式光纤传感与光纤光栅已经广泛运用于基建、管道、高铁、桥梁等使用传统设备无法有效检测预警的现场。
在以往的地质沉降检测中，很难做到局部范围的精确定位，以及地质沉降程度的快速检测。利用分布式光纤传感与光纤光栅技术可有效解决以上问题，并通过新颖三维布置方式可得到对地质沉降检测更有利三维的数据，在快速定位的前提下，以及三维数据的支持下，快速了解地质沉降程度及其位置，及时预警，及时解决问题。
发明内容
本发明提供了一种采空区地质沉降三维快速检测***，其目的在于解决现有采空区地质沉降检测无法快速准确定位与检测的弊端，以及通过特殊的三维布置方式解决现有技术无法准确了解采空区地质沉降区域状况的弊端，公开一种将光纤光栅与光缆相结合的三维布置方式以及分布式检测与点式检测相结合的技术方案。通过对地质横向、纵向以及深度的应变变化的数据采集，构建采空区地下的三维地质状态。该方法具有检测响应快、精度高、可靠性高、成本低廉、安装方便等优点。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种采空区地质沉降三维快速检测***，包括：
光缆结构和光纤光栅集成结构；
光缆结构包括分布式应变检测***及传感光缆，光纤光栅集成结构包括光纤光栅集成装置及光纤光栅应变解调***；其中，分布式应变检测***连接传感光缆，光纤光栅应变解调***连接到光纤光栅集成装置，光纤光栅集成装置分布在传感光缆的交叉点上，在分布式应变检测***通过传感光缆得到光纤应变区域坐标范围后，利用光纤光栅解调***检测相应位置地质沉降程度；光纤光栅集成装置包括水泥桩、高精度法兰接口和光纤光栅，其中高精度法兰接口融嵌入水泥桩中，光纤光栅连接到高精度法兰接口同时也融嵌入水泥桩中，以便于光纤光栅将应变实时传递给水泥桩中的高精度法兰接口，光纤光栅另一边连接到传感光缆，通过传感光缆结构的定位与应变数据测量沉降地区的沉降深度。
其中，分布式应变检测***包括窄线宽激光器、第一光纤耦合器、光脉冲调制器、脉冲光放大器、环形器、掺铒光纤放大器、第二光纤耦合器、扰偏器、第一光电探测器、微波扫频模块、数据采集卡和上位机；其中，将窄线宽激光器发射出***光源连接到第一光纤耦合器（8）的c端口，第一光纤耦合器的a端口连接到光脉冲调制器输出脉冲光，第一光纤耦合器的b端口连接到扰偏器输出参考光连接到第二光纤耦合器的a端口，经过光脉冲调制器调制后的脉冲光连接到脉冲光放大器，然后连接到环形器的c端口，环形器的b端口连接到传感光缆，环形器的a端口连接到掺铒光纤放大器将后向散射光信号放大后，注入第二光纤耦合器的b端口，与连接到第一光纤耦合器的b端口经过扰偏器输出的参考光拍频后，由第二光纤耦合器的c端口进入第一光电探测器，之后顺次连接到微波扫频模块、数据采集卡和上位机。
其中，光纤光栅应变解调***包括宽带光源、隔离器、F-P滤波器、耦合器、第一环形器、第二环形器、F-P标准具、参考光栅、第二光电探测器、采集卡和工控机；其中，宽带光源通过隔离器经F-P滤波器送入耦合器的c端口，从耦合器的b端口送入测试路第一环形器的c端口，由第一环形器的b端口送入传感光纤光栅，返回的信号经过第一环形器的a端口进入第二光电探测器，同时耦合器的a端口输出至参考路第二环形器的b端口，通过第二环形器的c端口经F-P标准具输出至参考光栅，得到的信号经过第二环形器的a端口输入至第二光电探测器，然后通过采集卡采集信号送入工控机处理得到检测数据。
其中，水泥桩中间融嵌入高精度法兰接口，横向和纵向的传感光缆均链接到光纤光栅，光纤光栅的应变信号通过横纵向的传感光缆由光纤光栅应变解调***感知。
区别于现有技术，本发明提供的一种采空区地质沉降三维快速检测***，采用基于分布式光纤应变检测***与光纤光栅应变解调***相结合的三维检测***，解决了传统的检测***精度高但范围小或范围广但成本高的问题。通过特殊的安装方式，可采集到地质沉降区域三维的应变数据，对判断地质沉降程度有更好的认识。本发明装置与现有检测装置相比，优点在于：光纤光栅与光缆响应速度快，精度高，实时性好；结构简单易安装，工作稳定可靠；三维结构铺设，更易于模块化制作，可测三维数据；保证检测精度的前提下，检测范围广，可大范围铺设，成本低廉；设备深埋地下不受气候影响，全天时，全天候保持高精度测量；测量全程自动化，出现问题可预警，无需人力亲力亲为；地下三维数据检测，更有利于对地质沉降建模；光纤传感器可完美应对地下各种恶劣环境，可长时间运行。
附图说明
图1是本发明提供的一种采空区地质沉降三维快速检测***的结构示意图；
图2是本发明提供的一种采空区地质沉降三维快速检测***中光缆结构的结构示意图；
图3是本发明提供的一种采空区地质沉降三维快速检测***中光纤光栅集成装置的结构示意图；
图4是本发明提供的一种采空区地质沉降三维快速检测***中分布式应变检测***的结构示意图；
图5是本发明提供的一种采空区地质沉降三维快速检测***中光纤光栅应变解调***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参照图1所示，图1为本发明提供的一种采空区地质沉降三维快速检测***的结构示意图。该***包括：
光缆结构和光纤光栅集成结构；
所述光缆结构包括分布式应变检测***5及传感光缆4，光纤光栅集成结构包括光纤光栅集成装置6及光纤光栅应变解调***30；其中，分布式应变检测***5连接传感光缆4，光纤光栅应变解调***30连接到光纤光栅集成装置6，光纤光栅集成装置6分布在传感光缆4的交叉点上，在分布式应变检测***5通过传感光缆4得到光纤应变区域坐标范围后，利用光纤光栅解调***30检测相应位置地质沉降程度。光纤光栅3采用的是准分布式测量，当外界地质变化，光纤光栅3感受应力发生波长变化，通过光纤光栅应变解调***30捕捉应变变化。从而断定地质沉降深度。当地质沉降发生时光缆感受到应力变化，横纵向应变程度反馈到分布式应变检测***5，通过应变程度与应变位置，来确定地质沉降程度与沉降范围。
如附图2所示，将分布式应变检测***5、传感光缆4、光纤光栅集成装置6布置安装到采空区地表。传感光缆4可有效准确定位地质沉降范围，再通过光纤光栅集成装置6接入光纤光栅应变解调***30测量地质沉降深度，确定危害程度。
所述光纤光栅集成装置6包括水泥桩1、高精度法兰接口2和光纤光栅3，其中高精度法兰接口2融嵌入水泥桩1中，光纤光栅3连接到高精度法兰接口2同时也融嵌入水泥桩1中，以便于光纤光栅3将应变实时传递给水泥桩3中的高精度法兰接口2，光纤光栅3另一边连接到传感光缆4，通过传感光缆结构的定位与应变数据测量沉降地区的沉降深度。
如附图3所示，将水泥桩1、高精度法兰接口2、光纤光栅3组装成光纤光栅集成装置6并分布安装在传感光缆4的交叉点上，水泥桩1取适宜的大小，确保高精度法兰接口2与光纤光栅3完全融嵌入水泥桩1，水泥桩1的上端口为高精度法兰接口2的接口，可连入光纤光栅应变解调***30，埋入土壤中可从地表有效检测地质沉降的深度。
其中，分布式应变检测***5包括窄线宽激光器7、第一光纤耦合器8、光脉冲调制器9、脉冲光放大器10、环形器11、掺铒光纤放大器12、第二光纤耦合器13、扰偏器14、第一光电探测器15、微波扫频模块16、数据采集卡17和上位机18；其中，所述将窄线宽激光器7发射出***光源连接到第一光纤耦合器8的c端口，第一光纤耦合器8的a端口连接到光脉冲调制器9输出脉冲光，第一光纤耦合器8的b端口连接到扰偏器14输出参考光连接到第二光纤耦合器13的a端口，经过光脉冲调制器9调制后的脉冲光连接到脉冲光放大器10，然后连接到环形器11的c端口，环形器11的b端口连接到传感光缆4，环形器11的a端口连接到掺铒光纤放大器12将后向散射光信号放大后，注入第二光纤耦合器13的b端口，与连接到第一光纤耦合器8的b端口经过扰偏器14输出的参考光拍频后，由第二光纤耦合器13的c端口进入第一光电探测器15，之后顺次连接到微波扫频模块16、数据采集卡17和上位机18。分布式应变检测***5的结构如图4所示。
其中，光纤光栅应变解调***30包括宽带光源19、隔离器20、F-P滤波器21、耦合器22、第一环形器23、第二环形器24、F-P标准具25、参考光栅26、第二光电探测器27、采集卡28和工控机29；其中，宽带光源19通过隔离器20经F-P滤波器21送入耦合器22的c端口，从耦合器22的b端口送入测试路第一环形器23的c端口，由第一环形器23的b端口送入传感光纤光栅3，返回的信号经过第一环形器23的a端口进入第二光电探测器27，同时耦合器22的a端口输出至参考路第二环形器24的b端口，通过第二环形器24的c端口经F-P标准具输出至参考光栅26，得到的信号经过第二环形器24的a端口输入至第二光电探测器27，然后通过采集卡28采集信号送入工控机29处理得到检测数据。光纤光栅应变解调***30的结构如图5所示。
其中，水泥桩1中间融嵌入高精度法兰接口2，横向和纵向的传感光缆4均链接到光纤光栅3，光纤光栅3的应变信号通过横纵向的传感光缆4由光纤光栅应变解调***30感知。
区别于现有技术，本发明提供的一种采空区地质沉降三维快速检测***，采用基于分布式光纤应变检测***与光纤光栅应变解调***相结合的三维检测***，解决了传统的检测***精度高但范围小或范围广但成本高的问题。通过特殊的安装方式，可采集到地质沉降区域三维的应变数据，对判断地质沉降程度有更好的认识。本发明装置与现有检测装置相比，优点在于：光纤光栅与光缆响应速度快，精度高，实时性好；结构简单易安装，工作稳定可靠；三维结构铺设，更易于模块化制作，可测三维数据；保证检测精度的前提下，检测范围广，可大范围铺设，成本低廉；设备深埋地下不受气候影响，全天时，全天候保持高精度测量；测量全程自动化，出现问题可预警，无需人力亲力亲为；地下三维数据检测，更有利于对地质沉降建模；光纤传感器可完美应对地下各种恶劣环境，可长时间运行。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种采空区地质沉降三维快速检测***，其特征在于，包括：光缆结构和光纤光栅集成结构；
所述光缆结构包括分布式应变检测***（5）及传感光缆（4），所述光纤光栅集成结构包括光纤光栅集成装置（6）及光纤光栅应变解调***（30）；其中，分布式应变检测***（5）连接传感光缆（4），光纤光栅应变解调***（30）连接到光纤光栅集成装置（6），光纤光栅集成装置（6）分布在传感光缆（4）的交叉点上，在分布式应变检测***（5）通过传感光缆（4）得到光纤应变区域坐标范围后，利用光纤光栅解调***（30）检测相应位置地质沉降程度；所述光纤光栅集成装置（6）包括水泥桩（1）、高精度法兰接口（2）和 光纤光栅（3），其中高精度法兰接口（2）融嵌入水泥桩（1）中，光纤光栅（3）连接到高精度法兰接口（2）同时也融嵌入水泥桩（1）中，以便于光纤光栅（3）将应变实时传递给水泥桩（3）中的高精度法兰接口（2），光纤光栅（3）另一边连接到传感光缆（4），通过传感光缆结构的定位与应变数据测量沉降地区的沉降深度。
2.根据权利要求1所述的采空区地质沉降三维快速检测***，其特征在于，分布式应变检测***（5）包括窄线宽激光器（7）、第一光纤耦合器（8）、光脉冲调制器（9）、脉冲光放大器（10）、环形器（11）、掺铒光纤放大器（12）、第二光纤耦合器（13）、扰偏器（14）、第一光电探测器（15）、微波扫频模块（16）、数据采集卡（17）和上位机（18）；其中，所述将窄线宽激光器（7）发射出***光源连接到第一光纤耦合器（8）的c端口，第一光纤耦合器（8）的a端口连接到光脉冲调制器（9）输出脉冲光，第一光纤耦合器（8）的b端口连接到扰偏器（14）输出参考光连接到第二光纤耦合器（13）的a端口，经过光脉冲调制器（9）调制后的脉冲光连接到脉冲光放大器（10），然后连接到环形器（11）的c端口，环形器（11）的b端口连接到传感光缆（4），环形器（11）的a端口连接到掺铒光纤放大器（12）将后向散射光信号放大后，注入第二光纤耦合器（13）的b端口，与连接到第一光纤耦合器（8）的b端口经过扰偏器（14）输出的参考光拍频后，由第二光纤耦合器（13）的c端口进入第一光电探测器（15），之后顺次连接到微波扫频模块（16）、数据采集卡（17）和上位机（18）。
3.根据权利要求1所述的采空区地质沉降三维快速检测***，其特征在于，所述光纤光栅应变解调***（30）包括宽带光源（19）、隔离器（20）、F-P滤波器（21）、耦合器（22）、第一环形器（23）、第二环形器（24）、F-P标准具（25）、参考光栅（26）、第二光电探测器（27）、采集卡（28）和工控机（29）；其中，宽带光源（19）通过隔离器（20）经F-P滤波器（21）送入耦合器（22）的c端口，从耦合器（22）的b端口送入测试路第一环形器（23）的c端口，由第一环形器（23）的b端口送入传感光纤光栅（3），返回的信号经过第一环形器（23）的a端口进入第二光电探测器（27），同时耦合器（22）的a端口输出至参考路第二环形器（24）的b端口，通过第二环形器（24）的c端口经F-P标准具输出至参考光栅（26），得到的信号经过第二环形器（24）的a端口输入至第二光电探测器（27），然后通过采集卡（28）采集信号送入工控机（29）处理得到检测数据。
4.根据权利要求1所述的采空区地质沉降三维快速检测***，其特征在于，水泥桩（1）中间融嵌入高精度法兰接口（2），横向和纵向的传感光缆（4）均链接到光纤光栅（3），光纤光栅（3）的应变信号通过横纵向的传感光缆（4）由光纤光栅应变解调***（30）感知。
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