（机械电子工程专业论文）非开挖地下管线探测光纤光栅传感技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本硕士论文是非开挖地下管道三维位置测量关键技术研究项目的一个研 究内容。非开挖地下管道三维位置测量关键技术研究项日主要是研究设计一种 新型的利用光纤光栅传感器来进行管线弯曲变形检测的系统。将四根布拉格光 纤光栅成9 0 度粘贴在柔性基材上，然后在基材的外圆上套上可变径的环形架 组，构成光纤光栅传感装置。牵引装置牵引光纤光栅传感装置沿被测管线间歇 式前进，在前进过程中，用光纤光栅解调仪在等间隔点上采样光纤光栅的波长 读数，经计算得到相应各点的应变和空间曲率信息，然后运用等距离离散点曲 率信息的空间曲线重建方法重建出管线的空间位置形状。 本硕士论文主要研究、发计上述的光纤光栅传感装置以及研究运用等距离 离散点曲率信息进行空间曲线重建的方法。这种传感装置的功能是将被测管线 的曲率信息精确传递给光纤光栅，所以要求其同时具备变径和弯曲的能力，即 当管线的弯曲曲率变化时，光纤光栅传感装置要能够随着管线的弯曲而弯曲， 保证两者的弯曲变形同步和一致：当管线的管径变化时，光纤光栅传感装置要 能随之变化。 围绕这一主题，主要进行了以下研究工作：第一章主要对整个漯题的国内 外研究现状和研究背景做了介绍，对整个课题的研究概况和已有的研究基础做 出了介绍，并对本硕士论文研究内容和难点作了概述。第二章简要分析了非开 挖地下管线形状特征和环境，对课题的设计方案、任务和要求作了概述，并介 绍了光纤光栅检测地下管线曲率的原理。第三章提出了光纤光栅传感装置设计 的方案，分析比较后，得到了优选方案。第四章是光纤光栅传感装置优选方案 的具体设计，主要介绍了粘贴有光纤光栅的聚胺脂基材可行性实验、温度补偿 实验和压簧刚度与基材硬度合理配合计算。第五章介绍了光纤光栅传感装置旋 转扭转时管线曲率检测方法和基于离散曲率的管线形状重建原理和方法。最后 一章是对全文的总结，根据所取得的主要进展，提出了今后研究工作的设想。 关键词：管线探测非丌挖技术光纤光栅传感器曲线重建 曲率传感设备 v 上晦大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e e i si so n ep a r to ft h ep r o j e c t “r e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g ie s o n3 ds h a p ed e t e c t i o ns y s t e mo fu n d e r g r o u n di n f o r m a t i o np i p e l i n e s ”， w h o s em a i no b j e c t i v ei st od e s i g nan e ws y s t e mf o rd e t e c t l n gt h ec u r v l n g i n f o r m a t i o no ft h e s ep i p e l i n e s t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h es y s t e mis a s f o l l o w s ：f o u rf i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) a r em o u n t e do nas o f ta n d e l a s t i e a lc y l i n d e r i c a ls u b s t r a t ei n9 0d e g r e e s t h es u b s t r a t eisp l a c e d i nan o v e ld e s i g nc e n t e r i n gc l a m p i n gd e v i c es e tt of o r maf b gs e n s o r a p p l i c a t i o nd e v i c e w h i l et h ef b gs e n s o rh e a dd e v i c eisp u l l e d t om o v e a l o n gt h ep i p e l i n es t e pb ys t e p ，t h ed a t ao fb r a g gw a v e l e n g t ho f t h e s e n s o ri sp i c k e du pb yf b gd e m o d u l a t o ra te v e r ye q u i d is t a n c ep o i n t s s p a c ec u r v a t u r ei n f o r m a t i o no fe a c hp o i n tc a nb ec a l c u l a t e df r o mt h i s d a t a a n d t h el o c a t i o na n d3 ds h a p eo ft h ep i p e l i n e isr e c o n s t r u c t e db y t h eu s eo ft h es p a c ec u r v ef i t t i n gm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nc u r v a t u r e i n f o r m a t i o no fd i s c r e t ep o i n t s t h eo b j e c to ft h et h e s i si st od e s i g nt h ef b gs e n s o ra p p l i c a t i o n d e v i c ea n ds t u d yt h es p a c ec u r v ef i t t i n gm e t h o d t h e f b gs e n s o r a p p l i c a t i o nd e v i c es h o u dh a v et h ec a p a b i l i t yo fc h a n g i n gi t sd i a m e t e r a n dt ob e n de a s i l y w h i l et h ep i p e l i n eh a ss o m ec h a n g e si n i t s c u r v a t u r e ，t h ed e v i c ec a nc h a n g ei t so w n c u r v a t u r ea to n c et oa d a p tt o t h ep i p e l i n e ：w h i l et h ep i p e l i n eh a ss o m ec h a n g e si ni t sd i a m e t e r ，t h e d e v i c ec a nc h a n g ei t so w nd i a m e t e rt oa d a p tt ot h ed i a m e t e ro ft h e p i p e l i n e i na c c o r d a n c ew i t ht h i st o p i c ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c h c o n d i t i o na r ei n t r o d u c e d ，t h er e s e a r c h c e n t e n ta n d t h er e s e a r c h d i f f i c u l t i e sa r es u n n a r i z e di nc h a p t e r1 i nc h a p t e r2 ，t h ea u t h o rf i r s t i n t r o d u c e st h et y p i c a ls h a p eo fp i p e l i n e sp r o d u c e db y t r e n c h l e s s t e c h n o l o g ya n de n v i r o n m e n tb r i e f l y a n dt h e n ，d e s i g nm e t h o d 、d e s i g nt a s k s a n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h e f b gs e n s o ra p p l i c a t i o nd e v i c e a r e s u m m a r i z e d t h ef i b e rb r a g gg r a t i n g s o p e r a t i o np r i n c i p l et oc h e c ka n d m e a s u r et h ec u r v a t u r ei si n t r o d u c e df n a l l y i nc h a p t e r3 ，t w ok i n d so f m e t h o d sf o rd e s i g n i n gt h ef b gs e n s o rh e a dd e v i e ea r ep r o p o s e d a f t e r a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h em e t , f o o d s ，o p t i m u mm e t h o di so b t a i n e d c h a p t e r 4isa b o u tt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e f b gs e n s o r a p p l i c a t i o n d e v i c e ，i n c l u d e st h er e l a t e de x p e r i m e n t sa n dc a l c u l a t i o n c h a p t e r 5 p r e s e n t sp i p e l i n e sc u r v a t u r ed e t e c t i n gm e t h o db a s e do nf b gs e n s o r sw h il e s e n s o r st w is t i n gi sc o n s i d e r e da n dt h ec u r v ef it t i n gm e t h o db a s e do n t h ec u r v a t u r ed a t ao fd i s c r e t ep o i n t s t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h e w h o l er e s e a r c hw o r ka n dp r e s e n ts u g g e s t i o r lf o rt h ef u t u r ew o r k l 海大学硕二l 学位论文 k e y w o r d s ：p i p e l i n e sd e t e c t i o n f b gs e n s o r c u r v a t u r es e n s i n gd e v i c e v i t r e o c h l e s st e c h n o l o g y c u r v er e c o n s t r u c t l o n 圭生查兰堡主兰些堡苎一 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 聊签名率址日期：毕 匕海大学硕士学位论文 1 i 引言 第一章绪论 出于对城市规模化、有序化建设的考虑，城市管线地下化，充分利用地下 空间，将城市的基础设施建设在地下，已成为发展趋势【”。传统的开挖式施工， 造成交通受阻、环境破坏、地面变形和居民受扰等影响和损失，成为急待城市 管理者解决的问题。在这种情况下，非开挖技术从2 0 世纪8 0 年代起，在一些 发达国家必起并逐步走向成熟。目前，随着我国经济建设的快速发展，现代非 开挖技术在我国的管道施工中得到日益广泛的应用，并有着迫切的应用需求和 巨大的市场潜力2 “。据上海某信息管线公司的数据，在过去的两年多时间里， 该公司已进行管线铺设近9 0 0 公里，其中很大部分是采用非开挖技术手段完成 的，未来几年尚有数干公里的信息管线有待铺设。2 0 0 0 年以来，我国市政基础 设施的工程量大幅度增加，每年新增管线约4 万k m 【6 】。此外，我国还有许多旧 城区庞大的地下管道系统，且使用多年，因而污水管塌陷、自来水管泄漏、煤 气管泄漏等现象时有发生，每年有大量的地下管线需要修复和更新。如此大规 模的管线工程量将为非开挖技术提供巨大的市场”。 非开挖技术t t ( t r e n c h l e s s t e c h n o l o g y ) ，是指在不开挖地表的情况下，利 用地质工程的技术手段，进行探测、检查、修复、更换和铺设各种地下公用设 施( 管道和电缆) 的一种技术，可以广泛应用于石油、天然气、给排水、煤气、 热力、自来水、电讯、有线电视等诸多领域的地下管线施工，并在提升环保、 交通、市政施工等领域的技术进步，以及改善城市居民生活质量等方面体现出 很大的技术优势 8 - 1 0 。 与开挖技术相比，非开挖技术的主要优点是“ ： 非开挖施工可不阻断交通、不破坏道路和植被，因而可以避免开挖施 工所带来的对居民生活和交通的干扰，以及对环境、建筑物基础的破 坏或影响； 在开挖施工难以进行或根本不允许进行的情况下( 如穿越河流、湖泊、 上海大学硕士学位论文 交通干线、重要建筑物、特殊障碍和繁华市区等) ，采用非开挖技术可 以使管线施工成为可能，并且可将管线设计在施工工程量最经济合理 的地点穿过； 有较好的经济效益和社会效益，特别是当埋深和管径越大时，其效益 更加明显。 由于城市地下情况非常复杂，不仅有卵砾石和建筑结构等障碍物，而且又 有未经标明的现存地下管线，无疑会给非开挖施工带来很大困难和风险。因此 旎工前必须充分做好准备工作，弄清地下土层的变化和已有管线的分布情况， 精心设计钻孔轨迹，并制定合理的工艺和技术措施，以便安全顺利钻进。同时 施工过程中必须加强现场监测和现场质量控制，施工前对地下情况进行初步探 测；施工中对钻孔轨迹进行监控h ；施工后，对管线位置进行复查；施工质量 耍得到监理( 监督) 部门验收合格后，全部现场施工工作才告完成，并且应根 据实测管线精确位置绘制施工图，完成竣工资料的编写。竣工图是日后管线维 护检修的依据，也为以后的地下工程提供了可靠的资料【1 ”。 当前非开挖施工的问题，突出体现在施工前和施工中对地下管线精确走向 数据掌握不够准确，施工后对已成钻迹的位置和走向缺少精确检测的手段，进 而又影响到下一个管线安全准确施工的进行，从而陷入恶性循环，尤其以此不 准确的测量数据归档，为今后管线修复以及管线更换留下了极大的隐患。 1 2 国内外非开挖技术的发展及现状 现代非开挖施工技术与装备是上世纪8 0 年代在发达国家兴起并形成的新 产业。1 9 9 4 年美国政府实施了7 年期的“先进的钻探和掘进技术国家计划” ( n a e d t ) ，将此技术列入城市基础设施和建筑业发展规划中，以增强美国在 此领域内的技术领先和市场竞争优势。此外，如英国曼彻斯特工业大学、美国 路易斯安那理工大学、德国波鸿大学等高等院校均及时适应长期结构调整的需 要，相继设立了非开挖技术专业和相应的研究机构，以培养陔领域的专业人才。 对地下管线工程来说，非开挖技术可以分为非开挖施工技术和非开挖探测 技术： 上海大学硕士学位论文 1 2 1 非开挖施工技术和设备 非开挖铺设地下管线的施工方法有1 0 多种，目前主要有以下6 种【1 4 】： ( 1 ) 顶管法 1 2 顶管法基本原理是预先做好顶管出发井和接收井，利用出发井中的主顶装 置将顶管机头和后继管段逐步顶入土体形成管道，如图1 1 。该施工方法一般 用于直径约为l m 一3 5 m 的管道施工，机械化程度高、顶距长、方向控制精度高， 埋深不限，且可实现曲线顶进，常用于污水管和电缆管的铺设等。 图1 1 泥水平衡式顶管工艺示意图1 1 2 】 ( 2 ) 微型隧道 微型隧道施工法起源于日本，该系统由钻掘系统、激光导向系统、出渣系 统、顶管系统、管道润滑系统、操作系统等组成。它具有顶距长、埋深大、精 度高等特点一般用于直径小于l m 的隧道。 ( 3 ) 定向导向钻进 其基本原理是预先挖好发射坑和接收坑( 也可以以小角度直接从地表钻进) 。先用 水平定向钻机在土体中按所需要轨迹钻一个先导孔，然后进行回拖扩孔，同时拉入所 需的管道，如图1 - 2 。这种施工方法的效率较高，主要适用于较软土体。它在非开挖 技术行业中，是一个发展特别快的领域。 上海大学硕士学位论文 图l 一2 非开挖铺设地下管线示意图 1 7 】 ( 4 ) 水平螺旋钻进法 水平螺旋钻进法在美国使用最广，该系统主要由水平螺旋机、螺旋钻杆、 螺旋钻头、方向控制系统和泥浆润滑系统组成。 ( 5 ) 夯管施工法 夯管施工法使用夯管锤将待铺的钢管沿设计线路直接夯入地层实现非开挖 铺管的技术。这种施工方法设备简单、施工成本低，但方向控制能力较差，而 且又不适用含大量卵跞石的地层。施工的管径可达2 m ，长度一般不超过l o o m 。 ( 6 ) 冲击矛铺管技术 该法是利用压缩空气将矛头从出发井顶入接收井，并形成管道。这种施工 方法简单、易操作、施工成本低，但方向不易控制，适用于穿过道路、大楼等。 1 2 2 国内外非开挖探测技术的应用、研究现状及存在的主要问题 当前国内外采用的地下管线探测方法主要包括以下几种 ”1 ： ( l ) 管线定位仪 管线定位仪( 如图1 3 ) 采用电磁原理对管线进行定位。探测金属管时有 两种方法：1 ) 直接充电法：是将人工电流通过出露点接在管线上，用接收机直 接接收电磁场( 一次场) 信号，来达到探测地下管线的目的：2 ) 感应法：发射 极发出的电磁信号遇到地下金属管线后，产生感应电流和感应电磁场，即二次 场，在地面上通过接收机探测二次电磁场异常后，便可确定地下管线的位置和 埋深”。而探测非金属物体，如塑料管、水泥管、搪瓷管等，由于他们不能传 导电流，要对其定位，可以采用一种示踪的方法，就是把发射探头送进非金属 上海大学硕十学位论文 管道中，发射电磁信号，由接收器追踪探头发出的电磁信号，从而通过检测探 头的位置来确定非金属管线的位置。 图l 一3 管线定位仪管线定位示意图唧】【2 1 1 使用较高的发射和接收频率能提高管线定位仪的接收效果，可是发射频率 太高会产生很多的辐射，造成信号“溢出”。另外由于城市地下管线众多，信号 常常耦合到附近的管线上去，使定位发生误差。同时施工地区往往存在着种种 干扰，如电力和电话光缆、钢铁护栏、钢筋混凝土、盐水等，都会使来自发刳 器的信号失真，从而造成较大的定位误差 2 2 】。 目前，国内外对管线探测仪的研究的一个重要方面就是如何减少管线探洲仪 的误差以及减小其受外界的干扰，较常见的研究集中在如何改进现有发射和接受 电路。普遍采用的方法有： 合理压缩接收机高频电路的频带和在低频电路中加上有源带通滤波器， 以提高抗干扰能力： 从接收机显示电路着手，用灵敏度高且线性良好的精密整流电路取代 原来的普通二极管整流电路，从而较大幅度地降低接收机灵敏限，减小 测深误差。 现在国内外使用的产品主要有：美国s u b s i t e 地下管线探测仪，美国菲力 浦斯s u b s i t e ，英国雷迪f 2 3 ，德国竖威，日本富士等。 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 探地雷达 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ) 简称g p r ( 女 i 图1 4 ) ，是一种对地下埋 藏的不可见目标或界面进行定位的技术。探地雷达与探空雷达类似，均利用高 频电磁波以宽频带脉冲形式，通过一个发射天线定向送入地下，经存在电性差 异的地下目标体反射后返回地面，由另一接收天线所接收。由于g p r 的探测分 辨率高于其它地球物理手段，具有图像直观清晰、非破坏性和适应性强的特点， 因此g p r 技术显示了较好的应用前景。单高频电磁波在介质中传播时，其路径、 电磁场强度与波形将随着通过介质的电性特征及几何形态而变化，目标回波能 量小，因此g p r 技术仍未到成熟的地步，当前探地雷达探寻 t 市地下管线一般 仅适用于埋深较浅的情况【2 4 _ 26 1 。 簿杼雾 传 播 时 何 图1 _ 4 意大利r i s 高精度探地雷达“7 1 此外，探地雷达的价格比较昂贵，目前主要的应用在地质矿产、公路探伤 等探测领域，对于管线的探测应用比较少。国内的中南大学资源环境与建筑工程 学院的刘郭文等将探地雷达运用到长沙市某处下水管道探测应用，其测量误差在 1 0 之内。 目前市场上的探地雷达有日本应用地质株式会社( 0 y 0 公司) 的g e o r a d o r 系 列，瑞典地质公司( s g a b ) 的r a m a c 钻孔雷达系统等等。 ( 3 ) 陀螺仪检测 能保持固定方向和不受磁性干扰是陀螺仪的最大优点，当前在管道形状检 测中有少量应用 2 8 1 。但是为了穿进小型管道，要求陀螺仪尺寸较小，而小型陀 螺仪精度较低而漂浮较大，同时设备较为复杂，需要专门操作人员，因此极大 的限制了它的应用。 t 海大学硕士学位论文 ( 4 ) 全球定位系统( 6 p s ) 在铺设新管线或维修il = i 管线时，可利用地球卫星定位系统进行定位。g p s 可 以准确地确定出标记的经度、纬度和高度数据，以便施工人员或设计人员再次来 到该地区时，能够对照先前地球卫星定位系统的资料确定管线位置。 缺点是需要动用卫星支持，代价比较大，而且如果控制点( 标记) 不够还不 能保证精度。 现有的管线探测方法有着很大的应用范围限制和缺陷，主要表现为以下几 点： 探测误差随挖掘深度的增加而显著加大 现有的管线探测方法对管线埋深有要求( 最好的管线定位仪探测深度5 m ； 探地雷达探测深度一般不超过9 m ) ，并且误差与测量深度呈积累增加关系 探测信号深受地质状况的影响 物探方法在复杂的地质构造下，如水面、粘土层、盐渍地质、腐泥土层、浸 水层等地质状况，所发射的信号会大大衰减；从而影响地面接收器的接收和追踪。 既有地下管网密集交错，造成探测信号高度偶合 掘进管道的上方可能就是已有的各种金属、非金属等多用途管网，探测信号 可能被遮挡或屏蔽，同时发射频率还可能耦合在附近其它管线上，使定位发生严 重误差 探测信号严重受到城市空问电磁干扰的影响 综上所述，虽然当前在我国的非开挖施工过程中，现代非开挖技术已得到 普遍采用，且施工设备和检测仪器基本使用价格昂贵的国外先进产品，但非开 挖施工技术的运用和发展仍存在很大的技术障碍和困难，尤其在复杂地质条件 和埋深加大状况下，对地下管线的准确定位存在无法解决的突出问题。 针对上述情况，通过对测绘、设计和施工单位的现场调研，并从掌握的文献 资料分析可知，日前在运用非开挖技术进行施工中，迫切需要一种比较精确的地 下管线三维探测技术和手段，以解决当前在复杂地质条件下和深层地下空间进行 管线检测问题。由于在现有技术上进行改进存在较大困难，因此有必要探索新的 上海大学硕士学位论文 管线检测原理方法，以便对刚铺设好的空管道进行精确位置探测。 由于光纤光栅可以克服在信号采集和传输时不受外界信号干扰的优点，所 以选择光纤光栅传感技术用于地下管线的检测。本课题组已经在光纤光栅传感器 研究以及相应的基于曲率的曲线重建研究上进行了大量的工作，并取得了很好的 效果 2 9 - 3 3 】。本课题组在对医疗机器人与计算机辅助外科的研究中，研制了基于单 点光纤光栅传感头的内窥镜形状感知系统。具体的实现方法，主要是利用基材的 曲率变化与光纤光栅反射波中心波长成正比的基本原理，将多根光纤光栅以一定 角度粘贴在基材上，制成传感头；利用该传感头自动介入内窥镜钳道，采集各个 离散点的曲率数据，然后根据一定的算法拟合重建出整个内窥镜的空间形状，重 建效果良好。此项技术已于2 0 0 4 年3 月通过8 6 3 专家组的验收，得到高度好评。这 一原创性技术，可以拓展为非丌挖施工中的管线三维形状检测技术的研究。这些 技术储备可以为本课题研究提供可靠的理论基础和技术手段，由于非开挖施工环 境与人体环境有所不同，所以本课题在借鉴已有的技术时，还要研究非开挖施工 的具体情况。 1 3 “非开挖地下管道三维位置测量关键技术研究”项目简 介 本项目拟采用传感装置间歇运动介入地下管道的测量方式。本项目的基本 思路是将光纤光栅传感装置与方向角传感装置结合起来实现对地下管线的形状 位置测量。牵引装置牵引着传感装置在以非开挖技术铺设好的地下管线内运动， 传感装置包括光纤光栅传感装置和方向角传感装置，光纤光栅传感装置测得管 线等距离位置点上的弯曲曲率，方向角传感装置测得方向角的信息；根据管线 连续变化的特点，以及管线两端点的己知位置，研究基于曲率的空间曲线拟合 方法和基于方向角的空间曲线拟合方法，重建出管线的空间三维形状显示在上 位机上，从而可以得到整个被测管线的精确位置和定位走向。系统总体精度设 计要求达到相对高度误差在5 以内。本项目得到了国家自然基金项目 ( 5 0 4 7 5 1 8 2 ) ，上海市重大科技攻关项目( 0 4 d z l 2 0 1 1 ) ，上海市第二期重点学科 ( y 0 1 0 2 ) 的资助。另外，还得到了上海一家非开挖管道施工公司的合作和支 持。 上海大学硕二 学位论文 图1 5 系统概念图 本项目主要包括以下几个子系统( 如图1 5 ) ： ( 1 ) 非开挖地下管道测量管道内传感装置系统： 管道内传感装置4 ，包括了管道内定位装置1 、方向角传感装置2 、光纤 光栅传感装置3 等检测部件，实现对管道形状位置间接信息的测量。 ( 2 ) 非开挖地下管道测量管道内传感装置介入系统： 该系统包括牵引装置和收放线装置。牵引装置主要负责牵引管道内传感装 置在管道内部的运动，在测量时停止运动，并提供传感装置在管道内运动的距 离，作为后续处理的重要信息；收放线装置主要解决线缆收放等问题。 ( 3 ) 非开挖地下管道测量形状位置可视化子系统： 将管道内传感装置测得的信息采集到上位机2 上，根据此信息重建整个 管道的形状位置，并在计算机1 上实现图形显示。产生可供市政规划局参考 的管道位置图纸。 1 4 本硕士论文的主要研究内容及其难点 本硕士论文是“非开挖地下信息管道的三维测绘系统关键技术”中的一个 组成部分光纤光栅传感装置的没计，其主要内容包括以下部分： ( 1 ) 光纤光栅工作原理研究以及在地下管线曲率测量中的应用 ( 2 ) 考虑扭转情况下基于离散曲率的管线形状重建方法的研究 ( 3 ) 光纤光栅传感装置设计方案的比较 e 海大学硕士学位论文 ( 4 ) 光纤光栅传感装置的设计、实验 本硕士论文的难点： 由光纤光栅特性可知，光纤光栅波长的偏移量与弯曲曲率半径成反比。当 管线的弯曲曲率越大( 即曲率半径越小) 时，光纤光栅波长偏移量越大，数据 越容易检测。而本硕士论文要研究的管线，其弯曲曲率很小，故要检测出管线 的曲率有一定的难度。 在检测中，要求光纤光栅传感装置具有很好的弯曲变形能力，并且要求其 能够变径，弯曲和变径的综合作用会导致光纤光栅传感装置的中心线与管线不 一致，从而使测得的曲率信息精确度不高，所以弯曲与变径的解耦是另大难 点。 1 5 小结 非开挖技术包括非开挖施工技术和非开挖探测技术等方面。已有的非开挖 探测技术手段，由于受到电磁干扰、环境干扰，探测的准确性受到了限制，特 别是对于埋设较深管径较小的非金属管道，探测效果更加不好。 利用介入式探测方法来实施对刚铺好的地下管线进行探测是上海大学地 下管线探测研究小组提出的新方法。地下管线探测系统包括( 1 ) 非开挖地下管 道测量管道内传感装置系统( 2 ) 非开挖地下管道测量管道内传感装置介入系统 ( 3 ) 非开挖地下管道测量形状位置可视化子系统若干部分。 本硕士论文主要研究光纤光栅传感装置的设计、考虑扭转情况下基于离散 曲率的管线形状重建方法等内容。 上海大学硕士学位论文 第二章课题的方案设计与研究 2 1 引言 在本章中，首先在研究非开挖地下管线形状特征和环境的基础上提出课题 的设计方案，然后介绍光纤光栅的优点和b r a g g 光纤光栅的工作原理，并说明 选用b r a g g 光栅的理由。 2 2 非开挖地下管线形状特征和环境分析 非开挖地下管线的长度和深度，根据施工环境和施工要求的不同会有所不 同，但因为都是采用水平定向钻施工而得到的，所以非开挖地下管线在空间【二 的形状位置具有很大的相似性。在空间上整个管线的形状大致可以分为下降、 基本水平、上升三段，如图2 1 所示。在下降段、基本水平段及上升段的曲率 半径都较大，根据上海一家非开挖管道施工公司所提供的两条已经施工完毕的 非开挖地下管线位置图可知，这三段的曲率半径可达到1 l o o m ，而在这三段的 连接位置有明显的过渡弯盐弧段，弯曲弧段的曲率半径较小，大约为l o o m 左 右。 峰面。a 设计札瞢一- rr ”。 ：竺囊 翎譬、e 詈、 e 管 ( b ) 图2 1 典型非开挖地下管线形状图 由于地下管道会受到水、泥浆等的压力，所以其横截面内径可能会发生变 形，从圆形变为椭圆形，或还是圆形，但直径发生了变化。 上海大学硕士学位论文 2 3 课题的设计方案 本课题的目的在于精确检测出管线形状，为了达到此目的，设计制作这样 的光纤光栅传感装置：能够将管线弯曲变形的信息精确地传递给粘贴在基材外 壁母线上的光纤光栅，光纤光栅能够将获取的曲率信息在不受周围环境( 如电 磁信号) 干扰和约束的情况下传送给计算机；根据管线连续变化的特点以及两 端点的已知位置和曲率，研究基于曲率的空间曲线拟合方法和可视化方法，得 出被检测管线的精确形状和定位走向。 本课题拟利用光纤光栅传感装置的基材应具有很好的柔性，并且在其截而 保持圆形的情况下弯曲成管线的形状，将管线测量点的曲率信息传递给光纤光 栅。基本思路如图2 2 所示，有四根光纤光栅以互成9 0 。方位粘贴在柔性基材 外壁母线上，将可变径的环形架按一定的间隔布置在基材的外圆上，环形架起 到变径和定心作用。环形架的外圆上镶有可滚动的钢珠，这样光纤光栅传感装 置在被测管道中运行时，摩擦力可以大大减小。 图2 2 课题方案的概念图【3 4 在上述对实际的非开挖地下管线分析的基础之上，明确了本课题研制的光 纤光栅传感装置要能实现对内径为中9 8 m m 中1 0 2 m m 、中心线弯曲曲率半径 为l o o m 1 1 0 0 m 管道的检测。 上海大学硕：卜学位论文 2 4 光纤光栅工作原理简介 早在1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人用驻波干涉法制成了 世界上第一根光纤光栅”。由于这种方法写入效率低，并且光栅周期完全取决 于入射光的波长，因此，其后1 0 年对光纤光栅的研究并未形成高潮。直到1 9 8 9 年，美国东哈特福德联合技术研究中心的g m e l t z 等人用2 4 4 r m l 紫外线双光束 全息曝光法成功的制成了光纤光栅两 ， 范围内掀起了光纤光栅的研究高潮f 3 7 】。 一大研究热点。 2 4 1 光纤光栅的优点 口8 】 克服了驻波干涉法的缺点，从而在世界 目前在传感领域中，光纤光栅的应用是 同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器在应用中具有明显的技术优势 可靠性好、抗干扰能力强。由于光纤光栅对被感测信息用波长编码，而 波长是一种绝对参量，它不受光源功率波动以及光纤弯曲等因素引起的 系统损耗的影响，因而光纤光栅传感器具有非常好的可靠性和稳定性； 传感器结构简单、尺寸小，适用于各种场合，尤其适合于埋入材料内部 构成所谓的智能材料或结构； 抗腐蚀，能在恶劣的化学环境下工作； 在一根光纤上能分布多个光栅，容易构成分布式传感网络。 2 4 2b r a g g 光纤光栅的工作原理 b r a g g 光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外线照射成栅技术彤成的全新 b r a g g 光栅。成栅后的光纤纤j 占折射率呈现周期性分布并产生b r a g g 光栅效应。 其结构如图2 3 所示。 卜海大学硕士学位论文 图2 3b r a g g 光纤光栅 利用光纤光栅芯区的有效折射率和栅距周期对外界参量( 温度、应变和压 力) 的敏感特性，通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的变化，就可以获得相 应的温度、应变或应力信息，通过检测光栅波长的变动量叩可实现对外界参量 的测量 4 。 这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器。它满 足如下光学方程”1 ： a 。= 2 ”盯a ( 2 1 ) 其中，”酊是光纤芯区的有效折射率，人为光栅的栅距周期。 由式( 2 1 ) 可知，f b g 的波长取决于光栅周期人和反向耦合模的有效折射 率”酊，任何引起这两个量改变的物理过程都将引起丑e 的变化，即公式 九= 2 a n 。h a + 2 n 。口a ( 2 - 2 ) b r a g g ) 匕纤光栅传感器的研究工作主要集中在温度和应力的准分布量测量 上。在外界温度、应力场的作用下，光纤光栅将产生轴向应变( a 弹性形变) 和 折射率变化( 光弹效应) ： 如= 2 e ( 1 一只) 占+ a b ( 口 + 口。) a t ( 2 3 ) 其中，只= he y k ：一v ( e ，+ 鼻：) 2 为光纤的有效弹光系数，一般取o 2 2 ，鼻和 鼻z 为弹光系数，”为光纤纤芯材料的泊松比，s 为光纤光栅所受的轴向应变， 上海大学硕士学位论文 r 为温度的变化量，口n 和口”分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。由于光纤 光栅的被测物理量( 如温度、应力等) 发生变化时，会引起 。，和a 的相应改变， 从而导致九的漂移，反过来，通过检测以的漂移，可得知被测物理量的信息。 2 5 光纤光栅在地下管线曲率测量中的应用 在实际的地下管线检测中，为了精确反映管线的弯曲信息，我们选用了回 复能力和柔性都比较好的材料作为基材，光纤光栅被封装在柔性基材表面，地 下管线的曲率与柔性基材表面的应变值有着一定的关系，所以对地下管线中各 个点的曲率测量可以转换为对各个点的应变测量，因此可通过测量应变的布拉 格光纤光栅传感器来测量各个点的曲率。 2 5 1f b g 平面曲率传感” 在温度恒定的条件下，由( 2 3 ) 式可以导出布拉格波长的变化九与外加轴 向应变满足以下关系式： 警：( 1 一只) 。 b ( 24 ) 在纯弯曲条件下，对于圆截面弹性梁，轴向应变与曲率之间存在以下关系 4 2 - 4 3 s ：二：，c( 2 5 ) p 其中s 为光纤光栅传感器感测位置承受轴向表面线应变值，p 测量点的曲率半 径，c 为该点对应的曲率，为传感器到中性面的距离。在公式( 2 5 ) 中，给定了r 、 c ，就能够求出光纤光栅的应变s 。又有公式( 2 4 ) 可知，应变s 与光纤光栅的 中心波长的变化九成正比，所以曲率c 与a e 成正比关系，所以根据公式 ( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 可得到曲率c 与a 。之问的关系， c ：些：堕 ( 1 一只) 旯。r k 其中定义k 为光纤光栅的曲率灵敏度系数，是一个定值，与1 0 一r 成正比。 ( 2 6 ) 上海大学硕士学位论文 由( 26 ) 知： m e2 形 ( 2 _ 7 ) 由此便可得到，光栅波长变化值与管道被测点处曲率半径的关系。 2 ，5 2f b g 空间曲率传感“ 如图2 4 所示，在圆截面弹性梁表面圆心角成9 0 度的两条母线位置上布置 光纤光栅传感器，对同一检测点的两个弯曲方向的曲率进行检测，_ j j 以推得该点 的空问曲率。n n 轴为中性轴，当柔性基材在0 m zt - 面内绕n n 轴作曲率半径 为几的弯曲时，光栅a 到中性层的距离| p p i = ( + 纤) c o s f l ，光栅b 到中 性层的距离lq q ( + f ) s i n f l ，其中，d 为传感器基材的直径，纤为光 栅的半径。 j 1 铷b y 糟1 5 8 a ：搽 吣夕 r 、 n v 旷 、墨盟 图2 - 4f b g 空间曲率传感光纤光栅布置示意图 根据式( 2 5 ) 光栅a 和光栅b 的轴向应变5 n 轴“和5 蝴4 分别为： 占。轴向= ( d 2 + 纤) “c o s ? p ( 2 - 8 、 8 6 轴自。( d 2 + t 纤) 。s i n ? p ( 2 - 9 、 其中，p 为中性而的曲率半径。 上海大学硕士学位论文 将公式( 28 ) 、( 2 9 ) 代入公式( 2 - 4 ) ，分别得到光栅a 和光栅b 的波氏偏移 量九轴自、a 2 枷自： 竽j 塑：( 1 一e ) 一m ：( 1 一) ( + 枷c 。s p p ( 2 - 1 0 ) 7 轴向 华盟= ( 1 一只) 碱轴自= ( 1 一只) ( 形+ 纤) s i n p p ( 2 - 1 1 ) 其中， 。轴自、旯啪自分别为光栅a 和光栅b 的初始波长。 当九轴 九轴自是系统标定后的定值，兄。轴自、九轴自在弯曲过程中不断发 生变化，可以由光纤光栅解调仪测得，所以由公式( 2 - 1 0 ) 和公式( 2 - 1 1 ) 求得 此时空f q 曲率半径的大小为 p ：! 么：型! 二墨堕哪b 肌惮碰鱼 ( 2 _ 1 2 ) 自l 啪自自j l 而曲率c 为，从而可以得到曲率c 。 2 5 3 温度变化对应变测量的影响 4 1 - 4 6 由于温度与应变均能引起光纤光栅的布拉格波长变化，当光纤光栅受到温 度和应变场的作用时，通过检测单个光纤光栅的布拉格波长的变化无法对温度 变化和应变加以区分，为了求得单个光纤光栅的布拉格波长变化是r = l a 应变引起 的，所以，下面就温度变化和应变变化对光纤光栅的布拉格波长变化的影响进 行研究。 光纤光栅的布拉格波长可表示成温度和应变的函数， 旯b ( s ，t ) = h ( s ，7 ) a ( s ，r ) ( 21 3 ) 对式( 2 1 3 ) 泰勒公式展开， 九= n ( 岛，t o ) 人( 和瓦) + a 瓦8 n + n 芸 嘲一。f + a 嘉+ n 筹 _ 耻、丁0 8o 、 a io i 、 、 小急+ n 急+ 等妻- 。ad 。n , a 如丁+ 扣警+ 案l 爿。心2 + 【a 丽棚丽+ 面瓦- 。如2 + j a 萨+ ”萨k ”喊+ 上海大学硕士学位论文 扣熹+ n 等+ n 等k 一。2 一一( 2 - 1 4 ) 定义k 。为应变灵敏度，k ，为温度灵敏度，k 。，为交叉灵敏度， k 一：a 塑+ 。坠 。 a 占 a s k ，：a 鱼+ n 坠 a ? a z k = a 急+ n 筹+ 筹害+ 面a a 而a n tt= 击( a 至a t + n 坠a t ) = 旦a s 也“8 a8 a ta 0 sa t8 s j 可以看出，引起波长漂移九的不单是s 、a t ，还有它们的交叉项。高 阶项对波长改变的贡献随s 、丁增大而增大的。当、，很大时，波长随 s 、丁的变化是非线性的。对公式( 2 1 4 ) ，忽略高阶项的影响，可得： 五口( ，t ) = 七。+ 七r 丁+ 七盯e 丁 ( 21 5 ) 定义九= 。，= k t a t ，a 2 。= 女。，如r ，分别代表由于应变变化、温 度变化、温度应变耦合带来的波长变化量，则光纤光栅中心波长变化量旯。表 示为 旯8 = 旯。+ a 2 r + a 2 。r ( 2 1 6 ) 而当s 、r 变化都很小时，疋，可以被忽略，那么 旯b = 丑。+ 丑r ( 2 - 1 7 ) 2 6 小结 本章首先在分析了非开挖地下管线形状特征和环境的基础上，介绍了课题 的设计方案。地下管线的曲率与柔性基材表面的应变值有着一定的关系，所以 对地下管线各点的曲率测量可以转换为对各点的应变测量，本硕士论文拟采用 布拉格光纤光栅来测量管线的各个点的曲率。 然后介绍了b r a g g 光纤光栅的工作原理，以及分析了b r a g g 光纤光栅在地 下管线曲率测量中应变、温度与b r a g g 光纤光栅波长变化的关系等。 上海大学硕十学位论文 第三章光纤光栅传感装置设计方案比较 3 1 引言 本章在分析课题总方案的基础之上，针对本课题的研究要求，根据实际情 况，提出几种可行的方案，并对这几种方案的优缺点进行比较，选择适用于本 课题的优选设计方案。 3 2 光纤光栅传感装置的设计要求 为了精确测量管线的弯曲曲率，必须将管线的弯曲变形信息精确传递到光 纤光栅传感装置上，即要求光纤光栅传感装置与管线弯曲变形保持一致，所以 要求其基材有较强的柔性同时又要有较强的回复能力；环形架使得光纤光栅传 感装置的中心线定位在被测管线轨迹上，而且环形架还可以变径，使得光纤光栅 传感装置能够顺利通过变管径的管道。基材和环形架两者的共同作用使光纤光 栅传感装置获得准确的管线弯曲曲率信息。在整个检测过程中，光纤光栅传感 装置依靠可变径的环形架紧贴被检测管道的内壁，使管道中心线的曲率信息借 助基材的柔性传递给粘贴在基材外壁母线上互成9 0