基于LABVIEW技術(shù)的無線地層沉降監(jiān)測(cè)儀的研究

張渤

摘 要：文章提出了一種基于3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的地層沉降數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動(dòng)處理。該地層沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件由光纖布拉格光柵（FBG）應(yīng)力傳感器，波長解調(diào)儀，3G路由器組成，軟件采用LABVIEW，遠(yuǎn)程登陸控制軟件和B/S架構(gòu)組成。FBG采集數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器實(shí)現(xiàn)無線互聯(lián)，實(shí)時(shí)對(duì)第四紀(jì)深厚松散地層沉降變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可提高對(duì)不同地層的沉降進(jìn)行精確測(cè)量，為緊急災(zāi)害預(yù)警及長期災(zāi)害治理提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；地層沉降

前言

地層沉降對(duì)地面和地下建筑都將造成巨大損害，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和施工人員的安全，文章提出一種采用埋入高精度光纖布拉格光柵（FBG）應(yīng)力傳感器的方法，通過不同深度FBG獲得應(yīng)力數(shù)據(jù)判斷不同深度地層沉降大小。FBG具有體積小、波長選擇性好、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、帶寬范圍大、附加損耗小、耦合性好等特性，而且FBG制作工藝比較成熟，易于形成規(guī)?；a(chǎn)，穩(wěn)定性和測(cè)量精度很高，因此它具有良好的實(shí)用性?；贔BG構(gòu)建多點(diǎn)準(zhǔn)分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)地層沉降變形的長期、實(shí)時(shí)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。

1 FBG地層沉降監(jiān)測(cè)原理

地層沉降監(jiān)測(cè)方法，是通過在不同深度不同地層結(jié)構(gòu)間，埋入一個(gè)或多個(gè)FBG應(yīng)力傳感器。地層巖層間的緩慢應(yīng)力變化導(dǎo)致FBG內(nèi)應(yīng)力變化，其中心反射波長將發(fā)生線性漂移，這樣地層內(nèi)部的應(yīng)力變化將于FBG中心波長成線性變化關(guān)系，如圖1所示。應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致FBG反射光中心波長的改變，而測(cè)量環(huán)境的溫度往往是不穩(wěn)定的，溫度的變化也會(huì)導(dǎo)致FBG反射光的中心波長發(fā)生變化，F(xiàn)BG反射光的中心波長與應(yīng)力及溫度變化的關(guān)系為

式中 應(yīng)力和溫度變化引起的反射光中心波長的改變；？駐？著為應(yīng)力的變化；？駐T為溫度的變化量； 光纖的光彈系數(shù)；為光纖的熱光系數(shù)。

由式（1）可以看出，溫度與應(yīng)力的變化均會(huì)引起FBG反射光中心波長的改變，因此需要溫度補(bǔ)償光柵抵消溫度引起的波長變化[2][3]。

圖1 4X6 FBG應(yīng)力監(jiān)測(cè)矩陣示意圖

2 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

有線傳感器組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布線量大、維護(hù)費(fèi)用高，并且在一些野外監(jiān)測(cè)中難以實(shí)施，文章提出基于3G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和B/S（Browser/Server）架構(gòu)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示。

系統(tǒng)采用Labview開發(fā)環(huán)境采集解調(diào)儀的波長數(shù)據(jù)，3G無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)一步處理，具體程序流程為：上電初始化的時(shí)候?qū)?yīng)力傳感器進(jìn)行校正，然后一直處于等待接收計(jì)算機(jī)握手協(xié)議狀態(tài)。一旦接收到遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)的握手協(xié)議，分析接收數(shù)據(jù)類型依據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行相應(yīng)操作。Labview控制程序如圖3所示。

3 結(jié)束語

文章主要介紹了基于FBG應(yīng)力傳感器的無線地層沉降監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)研究工作。將無線應(yīng)力傳感器用于地層結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測(cè)，不僅省去布設(shè)導(dǎo)線的費(fèi)用節(jié)省安裝時(shí)間，并且提供方便的數(shù)據(jù)共享模式，因此它具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]YJ Rao，et al.使用多路復(fù)用光纖布拉格光柵/光纖法布里-珀羅傳感器系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量應(yīng)變、溫度和振動(dòng)[J].Electronics Letters，1997，33（24）：2063.

[2]Chai Jing，Liu Jinxuan，Qiu Biao，et al.玻璃纖維光纖布拉格光柵傳感器的松散地層變形檢測(cè)[J].隧道與地下空間技術(shù)，26（2011）：92～99.

[3]Qiao Xueguang，Ding Feng，Jia Zhen'an et al.基于高精度濾波光纖布拉格光柵解調(diào)技術(shù)的地震檢測(cè)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（8）：2219～2223.