基于LABVIEW技术的无线地层沉降监测仪的研究

张渤

摘 要：文章提出了一种基于3G网络技术的地层沉降数据采集系统，可实现沉降数据的远程实时监控与自动处理。该地层沉降监测系统硬件由光纤布拉格光栅（FBG）应力传感器，波长解调仪，3G路由器组成，软件采用LABVIEW，远程登陆控制软件和B/S架构组成。FBG采集数据通过无线网络与服务器实现无线互联，实时对第四纪深厚松散地层沉降变形进行实时监测。该系统可提高对不同地层的沉降进行精确测量，为紧急灾害预警及长期灾害治理提供可靠依据。

关键词：光纤光栅；无线传感网络技术；地层沉降

前言

地层沉降对地面和地下建筑都将造成巨大损害，严重影响生产和施工人员的安全，文章提出一种采用埋入高精度光纤布拉格光栅（FBG）应力传感器的方法，通过不同深度FBG获得应力数据判断不同深度地层沉降大小。FBG具有体积小、波长选择性好、极化不敏感、易于与光纤系统连接、带宽范围大、附加损耗小、耦合性好等特性，而且FBG制作工艺比较成熟，易于形成规模化生产，稳定性和测量精度很高，因此它具有良好的实用性。基于FBG构建多点准分布式光纤传感器网络，实现地层沉降变形的长期、实时无线监测系统[1]。

1 FBG地层沉降监测原理

地层沉降监测方法，是通过在不同深度不同地层结构间，埋入一个或多个FBG应力传感器。地层岩层间的缓慢应力变化导致FBG内应力变化，其中心反射波长将发生线性漂移，这样地层内部的应力变化将于FBG中心波长成线性变化关系，如图1所示。应力会导致FBG反射光中心波长的改变，而测量环境的温度往往是不稳定的，温度的变化也会导致FBG反射光的中心波长发生变化，FBG反射光的中心波长与应力及温度变化的关系为

式中 应力和温度变化引起的反射光中心波长的改变；？驻？着为应力的变化；？驻T为温度的变化量； 光纤的光弹系数；为光纤的热光系数。

由式（1）可以看出，温度与应力的变化均会引起FBG反射光中心波长的改变，因此需要温度补偿光栅抵消温度引起的波长变化[2][3]。

图1 4X6 FBG应力监测矩阵示意图

2 无线数据采集系统

有线传感器组成的监测网络布线量大、维护费用高，并且在一些野外监测中难以实施，文章提出基于3G无线网络技术和B/S（Browser/Server）架构无线数据传输系统。整个系统的硬件原理如图2所示。

系统采用Labview开发环境采集解调仪的波长数据，3G无线收发模块将数据通过无线网络传输到远端服务器进一步处理，具体程序流程为：上电初始化的时候对应力传感器进行校正，然后一直处于等待接收计算机握手协议状态。一旦接收到远端计算机的握手协议，分析接收数据类型依据数据类型进行相应操作。Labview控制程序如图3所示。

3 结束语

文章主要介绍了基于FBG应力传感器的无线地层沉降监测的设计研究工作。将无线应力传感器用于地层结构的沉降监测，不仅省去布设导线的费用节省安装时间，并且提供方便的数据共享模式，因此它具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]YJ Rao，et al.使用多路复用光纤布拉格光栅/光纤法布里-珀罗传感器系统同时测量应变、温度和振动[J].Electronics Letters，1997，33（24）：2063.

[2]Chai Jing，Liu Jinxuan，Qiu Biao，et al.玻璃纤维光纤布拉格光栅传感器的松散地层变形检测[J].隧道与地下空间技术，26（2011）：92～99.

[3]Qiao Xueguang，Ding Feng，Jia Zhen'an et al.基于高精度滤波光纤布拉格光栅解调技术的地震检测[J].光学学报，2010，30（8）：2219～2223.