边坡监测FBG传感系统开发

摘 要

　　随着 FBG 在边坡监测中的应用发展，传统的 FBG 传感系统难以满足边坡监测的要求，本文针对这些要求基于 Linux 环境对 FBG 传感系统进行了设计，优化和实现，使其适用于边坡监测。

　　本文首先根据边坡监测的需求提出了 FBG 传感系统的功能和性能要求，然后对FBG 传感器在边坡监测中的部署方案和传感规律进行了系统的研究。根据提出的要求和部署方案，对光电系统进行了全面的设计与优化，包括系统构成设计，传感器组网设计，解调分析方案设计与优化，并对解调分析方案的优化措施进行了仿真验证，实现了 FBG 传感系统的总体设计。根据总体设计中对核心控制和处理平台的选择，通过对硬件，操作系统与设备驱动以及软件的设计与实现，完成了基于 Linux 的嵌入式系统的开发，创新性的利用 Linux 系统强大的功能来支持 FBG 传感系统中复杂的信号采集处理过程及触摸显示，智能预警和网络传输这些高级功能，结合总体设计内容，形成了一套完整的可以监测边坡安全情况并满足其功能与性能要求的 FBG 传感系统。

　　通过实验验证，根据上述的设计和实现，FBG 传感系统具有监测边坡安全情况的功能，并满足了提出的可视化交互，智能监测和远程监测的功能要求，通过对实验数据的分析，系统的精度优化措施有效提高了监测精度，系统创新性的同时在传感器容量，处理速度和监测精度这三个相互制约的性能上达到了较高的指标，满足了提出的性能要求。可以认为，本文实现了基于 Linux 的边坡监测 FBG 传感系统。

　　关键词：FBG 传感系统 边坡监测 Linux 嵌入式系统

Abstract

　　With the development of FBG application in slope monitoring, traditional FBG sensing system has a difficulty to meet the requirements of slope monitoring. According to these requirements, a FBG sensing system based on Linux which is suitable for slope monitoring is designed, optimized and implemented in this paper.

　　The functional and performance requirements of system according to slope monitoring are made first. Then the deployment scenarios and sensing laws are studied. According to the above, the photoelectric system which include system configuration, sensor networking and demodulation analysis program is designed and optimized. The optimization in demodulation analysis program is tested in a simulation. The overall design of FBG sensing system is implemented in this way. On the basis of above, through the implementation of hardware, operating system, device drivers and software, an embedded system based on Linux is implemented, which supports complex signal detecting, processing and touch-screen display, intelligent warning and networking transmission in FBG sensing system by the powerful Linux system innovatively. A complete sensor system which can monitor the slope security situation and meet its requirements is implemented in this way.

　　Through experimental verification, the FBG sensing system can monitor the slope security situation and meet the functional requirements of visual interactive intelligent and remote monitoring. The precision is improved effectively through the optimization in demodulation analysis program, and the three mutual restraint performances including sensor capacity, processing speed and monitoring precision are improved innovatively at the same time, which meet the performance requirements of slope monitoring. In summary, a slope monitoring FBG sensing system based on Linux is implemented in this paper.

　　Key words：FBG Sensing system Slope monitoring Linux Embedded system

　　我国土地地形复杂，包含大量山区和丘陵，许多住宅区和公共设施都位于山区或丘陵地带。近年来，出现了很多由于边坡失稳使附近住宅区和公共设施受到破坏的情况，给人民造成了不同程度的伤害，并直接和间接的造成了较大的经济损失[1]。在这样的情形下，为了保障国家与人民的安全和利益，对边坡进行长期实时有效的监测成了一项紧迫的研究任务。

　　随着科技的发展，人们逐渐采用更先进的方式对边坡进行监测，从传统的测斜计，压力计和位移计，到新型的基于全球定位系统，时域反射技术以及 FBG 传感技术[2-4]，边坡监测技术越来越先进，效果也越来越好。FBG 传感技术相比于其他技术具有传感器体积小，不受电磁干扰，探测精度高，传感器复用性好等特点，可以提供安全稳定，精确有效和大面积多点的传感监测，这些特点使 FBG 传感技术特别适用于边坡监测，引起了国内外对此的大量研究。

　　FBG 传感技术在边坡监测中的应用在全球范围内有了一定的研究，但是大多只注重 FBG 在边坡监测中部署方案的设计及各方案下传感规律的分析。而将 FBG 传感技术真正实用于边坡监测必须形成一个完整的 FBG 传感系统，系统不仅要求传感器合理部署于边坡，更要具有系统的完整功能，即实现驱使 FBG 传感器工作，采集处理 FBG传感信号，根据传感规律得到边坡安全情况，并呈现和利用监测结果。在国内外的研究中，没有重点考虑边坡监测对 FBG 传感系统在功能和性能上都提出了更高的要求，这些要求包括在功能上满足边坡监测需要的远程监测，现代监测模式要求的可视化交互，以及性能上满足边坡系统在传感器容量，处理速度和监测精度上的需要，其具体参数将在第 2 章第 1 节提出。传统典型的 FBG 传感系统难以达到这些要求，这大大限制了 FBG 传感技术在边坡安全监测中的应用。

　　在这样的背景下，本文从系统和工程的角度针对边坡监测的要求设计和实现了一个基于 Linux 的边坡监测 FBG 传感系统。结合 FBG 传感系统在传感器容量，处理速度和监测精度方面的优化设计，利用 Linux 系统强大的功能支持，结合嵌入式系统技术，实现了信号采集，处理以及触摸显示，智能预警和网络传输功能，形成了一套完整的传感系统，其可以监测边坡安全情况，并满足功能和性能上的要求。可以预见，基于 Linux 的边坡监测 FBG 传感系统将促进 FBG 传感技术在边坡监测的应用，提高边坡监测的效果，这对掌握边坡安全情况，预防边坡失稳破坏，保护国家与人民利益具有很大的现实意义。

　　在边坡监测领域，已经有一些应用 FBG 传感技术的先例。朱鸿鹄等人根据 FBG的应变传递理论和梁弯曲理论设计了一种基于 FBG 的原位测斜仪，对四川某边坡进行了边坡位移监测,设计了一套 FBG 传感监测方案，其包含对边坡安全相关的若干物理量的监测，利用此方案对香港某边坡进行了长期监测，通过结果分析验证了 FBG 传感技术在边坡监测中的优越性[5]。裴华富等人分析研究了基于 FBG 的边坡原位测斜技术，并依此提出了边坡深层应变的测算方法，利用此方法，对潘田高速公路边坡进行一定时间的监测，通过结果分析验证了 FBG 原位测斜仪方法的有效性和实用性，并提出了稳定性评估方法，根据监测结果对边坡稳定性进行了评估[6]。马豪豪等人利用 FBG 传感技术对广陕高速某边坡进行了监测，并通过与传统测量方法的监测结果进行结果分析，通过结果分析验证了 FBG 传感技术精度高，抗干扰性小等优势[7]。郭永兴设计了一种高陡边坡总体监测方案，设计了基于 FBG 传感技术的落石冲击监测方案，深部形变内部受力测量方案，并将深部位移测量传感器和锚杆测力计应用于边坡工程中使用[8]。

　　可以看出，在基于 FBG 传感技术的边坡安全监测中，FBG 在边坡监测中应用研究已经有了一定的发展，尤其是其中传感器部署和传感规律的相关内容为 FBG 传感系统得以应用于边坡监测提供了方案和理论参考。关于传感规律的分析除了上述研究中的内容外，还包括 FBG 与监测物的应变传递规律，以保证通过 FBG 可以准确得到监测物的形变量。在 FBG 传感领域，对应变传递规律有着一定的研究，F. Ansari 等在光纤应变与基体应变相同的假设前提下，通过分析得出了所受应力与光纤应变的关系[9]。周智等分析推导出了 FBG 在多层介质中应变的一般传递公式，得到了相比于 F.Ansari 等人的研究结果更一般的结论[10]。李东升等针对埋入式 FBG 传感器，推导了监测结构应变与 FBG 传感器所测应变的关系，并对多胶结层的FBG的应变传递进行了分析与推导[11]。张丁丁人根据松散土质工程实际，建立了 FBG，胶结层，封装，钻孔封孔材料，松散层的应变传递计算模型[12]。这些对FBG与监测物的应变传递分析为FBG与边坡监测量的传感规律的研究提供理论基础和参考。

　　边坡监测FBG传感系统开发:

系统硬件实物图

光电模块电路接口设计图

访问基于 Linux 嵌入式系统串口打印信息

系统软件运行图

上位机软件运行图

 FBG 传感监测设备外形图（左）和内部核心模块图（右）

实验测试系统实物图

 FBG 传感监测系统（上）及上位机（下）（实验测试版）的运行情况

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　1 绪论
　　　　1.1 课题研究背景与意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　1.3 本文主要研究内容与创新点
　　2 FBG 传感系统的总体设计
　　　　2.1 FBG 传感系统的功能和性能要求
　　　　2.2 传感器部署方案与传感规律分析
　　　　2.3 光电系统的设计与优化
　　　　2.4 本章小结
　　3 基于 Linux 的嵌入式系统的实现
　　　　3.1 嵌入式系统的硬件实现
　　　　3.2 操作系统与设备驱动实现
　　　　3.3 嵌入式系统的软件实现
　　　　3.4 本章小结
　　4 FBG 传感系统的实验测试
　　　　4.1 实验系统搭建与测试步骤
　　　　4.2 实验结果分析
　　　　4.3 本章小结
　　5 总结与展望
　　致 谢
　　参考文献
　　附录 1 攻读学位期间发表的论文

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