基于光纤光栅技术的坡内变形信息获取方法及应用研究

论文摘要

在我国的边坡工程中,往往存在着重建设、轻维护的现象。同时又受限于现有的工程监测技术水平以及后续投入经费等原因,对边坡工程的安全监测相对缺失,多数情况下都是在工程出现危险或灾害已经发生后才开始考虑结构健康监测。通过监测手段实时获取边坡各项信息对于了解边坡实时状态,开展边坡灾害的预测预警是保障人类生命财产安全的关键问题之一,具有非常重要的学术价值和工程实际意义。本研究以实现智能实时边坡内部变形感知和边坡变形监测数据的有效运用为出发点,研制了一种能够全方位智能实时感知的新型边坡内部变形光纤光栅测斜杆,并研究了边坡实时三维变形场构建方法。1)考虑现有测斜设备方法的缺陷,基于光纤光栅传感技术,研制了能够360。全方位自动感知边坡内部变形的新型光纤光栅测斜杆,同时利用Labview软件平台开发了配套的光纤光栅信号解调及信息处理软件程序,共同建立了边坡内部变形光纤光栅实时监测系统,初步实现了滑坡内部变形的运动方向和距离的实时追踪与定量分析的目的。2)在获取了边坡变形数据的基础上,基于数值仿真思想,研究了边坡实时三维变形场构建方法,通过边坡实时三维变形场对边坡变形的全局信息进行合理表征,进而对边坡当前稳定状态和未来变形发展趋势做评判与预测,最终达到边坡安全态势实时分析预警的目的。本研究主要取得了以下主要结果与结论:(1)边坡内部变形监测系统硬件部分——研制了能够360°全方位自动感知边坡内部变形的新型光纤光栅测斜杆。从滑坡成因的内在地质条件和外在自然环境出发,分析了现有监测手段、监测仪器存在的不足,提出应该对边坡内部变形的大小与方向进行实时追踪,从而最大程度把握边坡内部变形情况。简要介绍了光纤传感的基本特性,在现有的光纤光栅传感器和边坡测斜技术的基础上,研制了新型光纤光栅测斜杆实现了边坡内部变形的全方位自动实时感知,详细介绍了光纤光栅测斜杆的制作工艺,给出了方位角和倾斜角的计算公式,与现有的边坡内部变形监测技术相比,本研究研制的新型光纤光栅测斜杆能够实现边坡内部变形的全方位自动实时感知、有效降低人为因素影响,更为客观合理地反映边坡内部变形实际情况。(2)边坡内部变形监测系统软件部分——开发了与新型光纤光栅测斜杆配套的信号解调及数据处理软件程序。针对从事边坡工程施工、科研以及边坡安全风险管理等专业相关技术人员的实际需要,简要阐述了光纤传感的信号解调原理,针对研制的新型光纤光栅测斜杆,本研究结合产学研单位提供的相关软、硬件作为工作基础,基于Labview软件平台开发了一套边坡内部变形信号解调及数据处理软件,实现了边坡内部变形信息的实时监测、记录、查询、输出等功能。(3)结合研制和开发的硬件与软件共同建立了边坡内部变形监测系统,通过室内试验对系统的各项性能进行验证。通过标定试验对研制的光纤光栅测斜杆进行统一的0°方位角标定,为后续的内部变形监测室内试验部分的测斜杆监测系统组装奠定基础;通过性能测试,获得了光纤光栅测斜杆的最大测量倾角,分别为7.1304°(1号测斜杆)和5.9627°(2号测斜杆),方位角测量范围均为0～360°,测量精度可达0.01°,光纤光栅测斜杆的多次测量结果平均误差分别为1.8%、1.2%,具有较好的重复测量稳定性,能够满足长期使用、多次测量的需要;通过电子千分表位移数据和单目视觉图像处理技术同时与光纤光栅监测数据进行对比,验证光纤光栅测斜杆监测数值的准确性,边坡内部变形监测系统的实际效果,为后续的现场试验及工程实际应用提供了一定的实践基础和操作经验。(4)研究了一种边坡实时三维变形场构建方法。基于边坡表面变形和内部变形监测数据,结合有限元、Monte—Carlo思想,建立边坡数值模型库,利用实际监测数据筛选出最相似的边坡数值模型,最终建立表征边坡全局变形信息的三维实时变形场,为边坡稳定性评判和后续变形预测提供模型基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 边坡内部变形监测研究现状
•     1.2.2 边坡变形分析研究现状
•   1.3 研究内容、方法与技术路线
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 研究方法
•     1.3.3 技术路线
•   1.4 论文的主要创新点
• 第2章 边坡内部变形监测系统硬件研制
•   2.1 引言
•   2.2 光纤光栅传感器选择及测量原理
•     2.2.1 光纤光栅传感器的选择
•     2.2.2 光纤光栅倾角传感器测量原理
•   2.3 光纤光栅测斜杆变形监测方法研究
•     2.3.1 基于倾角传感器的测斜方法研究
•     2.3.2 边坡内部测点变形公式推导
•   2.4 新型光纤光栅测斜杆制作
•     2.4.1 光纤光栅测斜杆内部结构
•     2.4.2 光纤光栅测斜杆外管
•   2.5 测斜杆基本参数说明
•   2.6 本章小结
• 第3章 边坡内部变形监测系统软件开发
•   3.1 引言
•   3.2 光纤光栅信号解调硬件平台
•   3.3 监测系统软件功能设计
•   3.4 监测软件数据采集的实现
•     3.4.1 解调模块动态链接库
•     3.4.2 光开光控制程序
•     3.4.3 循环采集数据程序
•   3.5 光纤光栅测斜杆的拟合
•     3.5.1 写入变形计算公式
•     3.5.2 光纤光栅测斜杆配置
•   3.6 监测数据图像显示
•   3.7 软件附加功能
•   3.8 监测系统软件整合
•   3.9 本章小结
• 第4章 光纤光栅测斜杆方位角标定及性能测试
•   4.1 引言
•   4.2 方位角标定和性能测试设备
•   4.3 光纤光栅测斜杆方位角标定
•     4.3.1 标定目的
•     4.3.2 标定实施过程
•     4.3.3 标定结果
•   4.4 测量范围测试
•     4.4.1 测试目的
•     4.4.2 测试实施过程
•     4.4.3 测试结果与分析
•   4.5 重复性测试
•     4.5.1 测试目的
•     4.5.2 测试实施过程
•     4.5.3 测试结果分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 边坡内部变形监测系统室内试验
•   5.1 引言
•   5.2 监测系统简介
•   5.3 试验仪器与设备
•   5.4 试验方法及实施过程
•   5.5 试验开始及监测数据记录
•   5.6 试验结果及分析
•   5.7 本章小结
• 第6章 构建边坡实时三维变形场方法研究
•   6.1 引言
•   6.2 建立实时监测体系
•     6.2.1 监测体系的构成
•     6.2.2 监测方案的制定与实施
•   6.3 建立边坡数值模型
•     6.3.1 构建边坡数值模型库
•     6.3.2 确定边坡数值模型
•   6.4 边坡实时三维变形场的建立及运用
•     6.4.1 三维变形场的构建
•     6.4.2 三维变形场的应用
•   6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
•   7.1 本研究的主要结论
•   7.2 后续工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 俞钧耀

导师: 胡启军

关键词: 光纤布拉格光栅,测斜杆,边坡变形监测,监测系统,三维实时变形场

来源: 西南石油大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 地质学,建筑科学与工程,自动化技术

单位: 西南石油大学

分类号: TU433;TP212

DOI: 10.27420/d.cnki.gxsyc.2019.000339

总页数: 95

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