CN101713650B - 一种光纤光栅测斜仪及测斜算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅测斜仪及相应的测斜算法。针对现有技术中光纤数字测斜仪体积大价格高且对土体内形变测量不易等缺陷，本发明提供一种光纤光栅测斜仪及配套测斜算法。该测斜仪将光纤光栅传感器安装在测斜仪的倾斜计内，通过测量光纤光栅反射波长的变化得到测斜仪倾斜角度的变化特征并计算得到土体变形或变位的数值。进一步将该测斜仪的倾斜计设计为钢性管与柔性管相间隔的铰链结构，更有利于测量土体非线性大变形。本发明还同时提供配合铰链结构形光纤光栅测斜仪使用的测斜算法。与现有技术相比本发明提供的测斜仪结构简单、加工方便、使用操作容易、成本经济、抗干扰能力强适用范围广，配套测斜算法计算步骤简洁、结果准确。

Description

一种光纤光栅测斜仪及测斜算法

技术领域

本发明涉及一种测斜仪与测斜算法，特别是涉及一种利用光纤光栅传感器为测量部件的测斜仪与相应的测斜算法。

背景技术

测斜仪是一种测定钻孔倾角和方位角的原位监测仪器。自20世纪50年代开始应用在对土石坝、路基、边坡及其隧道等岩土工程进行原位监测的领域，并广泛应用于水利水电、矿产冶金、交通与城建岩土工程领域，在保证岩土工程设计、施工及其使用安全中。主要类型有电阻应变式、加速度计式和电子计式等。国内外使用的测斜仪的主要测量部件是利用磁通门传感器或机械陀螺仪作为角速度传感器与加速度计结合，测量方位角和倾斜角；主要的数据传输部件是铠装七芯电缆。现有的测斜仪在测量方面存在着测量精度差、寿命短、操作维修不方便等缺点，在数据传输方面又存在传输电缆带宽有限，严重限制了地面以下数据传输的能力。因此使用时，现有的测斜仪使大量的地层信息不能或无法精确地传到地面。

申请日为2006年7月17日，公开号为1932238，名称为“全光纤数字测斜仪”的中国发明专利申请公开了一种全光纤数字测斜仪，该测斜仪采用光纤陀螺作为传感器测量角速度，采用光纤光缆完成数据传输。由于光纤陀螺本身价格较高，体积也有一定的限度，因此造成了该“全光纤数字测斜仪”整体价格高、体积不够小的缺点。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足提供一种光纤光栅测斜仪及相应的测斜算法。该测斜仪以光纤光栅作为测量传感器，以光纤作为信号传输介质，具有精度高、灵敏度高、体积小、价格低的优点。测量得出的数据经测斜算法计算能够快速准确地计算得出测斜仪的倾斜角度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种光纤光栅测斜仪，包括光源1、波长解调设备2、光分路器3和倾斜计4；光源1和波长解调设备2连接在光分路器3的同一侧，其特征在于：所述倾斜计4包括空心导管41和光纤光栅42；所述空心导管41的内部沿轴向平行布置至少一根光纤421；每根光纤421上联接至少一个应变测量光栅422，当每根光纤421上各联接多个应变测量光栅422时，为等距离串联；每根光纤421上联接的应变测量光栅422的位置对应相同；光纤421连接到光分路器3的另一侧。

本发明提供的光纤光栅测斜仪采用光纤光栅作为测量传感器安装在测斜仪的倾斜计内。光纤光栅是一种新型的全光纤无源器件，是用光纤Bragg光栅(FBG)作敏感元件的功能型光纤传感器，其工作原理为：用一对强紫外光柱所产生的干涉条纹，对光敏光纤侧面进行照射，可以对光芯处的折射率进行永久的周期性调制，从而制成一段折射率周期性变化的光栅。由于周期的折射率扰动仅对频率很狭窄的小段光谱产生影响，当光波在光栅中传播时，入射光将在这段被反射回来，其余频率的光谱则被透射过去，这样光纤光栅起到选择光波的作用。能够被反射回去的波长必须满足以下公式的条件：

λ_B＝2n_effΛ

式中，λ_B-光栅光栅反射的中心波长；

n_eff-光栅纤芯的有效折射率；

Λ-光纤光芯折射率的调制周期。

从上式可以看出，如果纤芯的有效折射率或者调制周期发生变化，那么反射波长也将发生变化。事实上如果光栅受到应力与温度作用时，纤芯的有效折射率与调制周期都将发生变化。所以光纤光栅反射波长的变化可以表征出所在环境的应力与温度的变化。

根据以上原理，当本技术方案提供的倾斜计安装在土体中施工孔内后，由于土体的长期蠕动和滑面位移的推力引起倾斜计发生变形或变位，并由此引起布置在倾斜计上的光纤发生微小变形，引起光纤光栅反射波长的变化。因而通过测量光纤光栅反射波长的变化，就能够得到倾斜计的倾斜角度的变化特征，计算得到土体变形或变位的数值。同时再结合岩土力学的相关原理，还可计算出土体中的相应位点应力的大小和方向的变化。

上述光纤光栅测斜仪的倾斜计的空心长管可以进一步设计为采用钢性管与柔性管相间隔的结构，且在钢性管和柔性管中均布有光纤光栅，这种结构有利于测量土体非线性大变形。具体为：将柔性管与刚性管依次间隔连接，使整个倾斜计设计为链杆结构，柔性管的作用类似铰接。当该测斜仪在土体中受力发生形变时，柔性管成为转角结点，刚性管与刚性管之间通过铰只传递剪力，不传递弯矩。并且由于钢性管和柔性管都相对粗短，长径比较小，因此抗弯钢度也较大。当倾斜计安装在施工孔内后，在任意土推力作用下钢性管发生平移或柔性管发生转动，而管轴线仍然保持直线。则只要利用光纤光栅反射波长的变化的测量值确定柔性管(铰)与刚性管之间的相对转动角度，就可递推计算得出倾斜计长管上任意一点的空间位移与变形。

本发明将倾斜计设计成链杆结构的益处还在于：由于在铰结点不传递弯矩，故在任意一段钢性管上，应力边界条件只包括铰施加的拉力与钢性管周围的土的作用力。后者包括杆一侧的土压力，对应一侧的土抗力和杆土之间的磨擦力(杆表面剪力)。由此，力学模型简化为侧面和端点受力的刚性杆件结构，杆端不考虑弯矩作用，杆内应力分布可以理想化为杆侧土平均分布作用力的简支梁，则很容易准确计算得出土体中的压力分布情况。

本发明还提供如下与测斜仪配套使用的测斜算法，其技术方案如下：

一种与上述光纤光栅测斜仪配合的测斜算法，其特征在于：按如下步骤进行：

S1、安装光纤光栅测斜仪，确定测斜计露地面原点α₀的空间坐标真值(x₀，y₀)；

S2、在测斜计露地面端施加力F，使测斜计发生弯曲变形，根据光栅解调变化值确定测斜计空心导管(41)链杆结构任意结点α_n处空间转角值(α_n，x，α_n，y，α_n，z)，其中(n，x)，(n，y)，(n，z)分别为结点处在x轴，y轴，z轴的投影值；

S3、根据公式1计算测斜计空心导管链杆结构上任意结点的空间坐标值。

$(x_n,y_n,z_n)=(x_0,y_0,z_0)+(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_{i,x}\·l_i,\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_{i,y}\·l_i,\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_{i,z}\·l_i,)$ 公式1

式中，l_i-i段测斜计钢性管的长度(m)；

α_{i，(x，y，z)}——i段测斜计柔性管处在x，y，z方向转角值，(弧度)，由现场实测得到；

S4、根据公式2计算任意两间任意点的空间坐标值。

$a_{(x,y,z)}^{\mathrm{1,2}}=(x_1+\frac{x-x_1}{x_2-x_1},y_1+\frac{y-y_1}{y_2-y_1},z_1+\frac{z-z_1}{z_2-z_1})$ 公式2

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用光纤光栅传感器作测量部件除了具有普通光纤传感器尺寸小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、使用安全可靠等优点外，还具有其独特波长调制型、抗干扰能力强，易于与光纤耦合、耦合损耗小，集“传”与“感”于一体且具有更强的复用能力、易于构成传感网络，测量对象广泛、易于实现多参数传感测量的优点。测斜计空心长管采用钢性杆与柔性杆相间隔的结构使得测斜仪杆内应力分布可以理想化为杆两侧土平均分布作用力的简支梁，由此能解决测量杆上应力分布计算问题，并反演计算出相应土体位点的应力，包括杆两侧的土推力与土抗力。

附图说明

图1是光纤光栅测斜仪示意图。

图2是实施例一空心导管中光纤光栅布置纵剖面示意图。

图3是实施例二空心导管中光纤光栅布置纵剖面示意图。

图4是实施例二空心导管中光纤光栅布置横剖面示意图。

图5是实施例三、四空心导管中光纤光栅布置纵剖面示意图。

图6是实施例五倾斜计示意图。

图7是实施例五金属导管与柱状部件连接结构示意图。

图8是连接螺栓纵剖面示意图。

图9是实施例六倾斜计示意图。

图10是实施例六倾斜计纵剖面局部放大示意图。

图11是图10的A-A剖示图。

图12是实施例七光纤光栅布置横剖面示意图。

图13是实施例九倾斜计与保护罩结构示意图。

图14是保护罩示意图。

图15是实施例十倾斜计工作状态示意图。

图16是测斜算法原理图。

图中标号如下：

1光源                  416柔性管

2波长解调设备          417保护罩

3光分路器              4171固定条

4倾斜计                4172固定孔

41空心导管             42光纤光栅

411金属导管            421光纤

412柱状部件            4211铠装光缆

413连接螺栓            422应变测量光栅

414法兰盘              423温度补偿光栅

415刚性管

具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1、图2所示。加工一种光纤光栅测斜仪，包括光源1、波长解调设备2、光分路器3和倾斜计4。

其中，倾斜计4包括空心导管41和光纤光栅42。空心导管41的内表面沿轴向平行粘贴有一根光纤421；光纤421上联接一个应变测量光栅422。

光纤光栅测斜仪的光源1和波长解调设备2连接在光分路器3的同一侧；光纤421用铠装光缆4211引出连接在光分路器3的另一侧。

实施例二

如图3、图4所示。加工一种光纤光栅测斜仪，其与实施例一中相同之处不再重复，其不同之处在于：

空心导管41的内表面沿轴向平行粘贴有三根光纤421，三根光纤421间彼此等距。每根光纤421上联接一个应变测量光栅422，并固定光栅区位于空心导管41正中部位，每根光纤421上联接应变测量光栅422的位置对应相同。其中一根光纤421上还联接有一个温度补偿光栅423。三根光纤421分别用铠装光缆4221引出连接到光分路器3的另一侧。

实施例三

如图5所示。加工一种光纤光栅测斜仪，其与实施例二中相同之处不再重复，其不同之处在于：

每根光纤421上等距离串联有多个应变测量光栅422，串联间距为10cm，每根光纤421上串联的应变测量光栅422的位置对应相同。

实施例四

如图5所示。加工一种光纤光栅测斜仪，其与实施例二中相同之处不再重复，其不同之处在于：

每根光纤421上等距离串联有多个应变测量光栅422，串联间距为15cm，每根光纤421上串联的应变测量光栅422的位置对应相同。

实施例五

如图6、图7、图8所示。加工一种光纤光栅测斜仪，其与实施例一中相同之处不再重复，其不同之处在于：

空心导管41由三段金属导管411、一段长70mm直径3mm的柱状部件412、两个连接螺栓413和一个法兰盘414组成。三段金属导管411中，一段长约94mm，其余两段等长约300mm。

柱状部件412外表面上沿轴向平等粘贴有三根光纤421，三根光纤421间彼此等距。每根光纤421上联接一个应变测量光栅422，每根光纤421上联接的应变测量光栅422的位置对应相同，光栅区位于柱状部件412正中部位。其中一根光纤421上还联接有一个温度补偿光栅423。柱状部件412两端分别加工有8mm长的外螺纹。

两段300mm长的金属导管411各有一端加工有15mm长的内螺纹。连接螺栓413的螺杆端加工有8mm长内螺纹，大头端加工有15mm长外螺纹。两个螺栓413的螺杆端分别与柱状部件412两端外螺纹相连接，大头端分别与一段300mm长金属导管411的内螺纹端连接。长度为94mm的金属导管411固定在两连接螺栓413之间，套在柱状部件412外。

本实施方式中的光纤光栅测斜仪倾斜计4的空心导管41以金属导管411为主体，通过柱状部件412将光纤光栅固定在金属导管411内。由于金属材料具有一定的强度和韧性，因此当倾斜计4安装后，能够随外力发生相应的形变，并借助光纤光栅传感器的特性反映出来，被解调仪识别。同时，金属材料也是良好的温度导体，能够保证温度补偿光栅423的效用发挥。

实施例六

图9、图10、图11所示。加工一种光纤光栅测斜仪，其与实施例一、实施例五中相同之处不再重复，其不同之处在于：

倾斜计的4的空心导管41是由刚性管415和柔性管416联接成的链杆结构。空心导管41由两段刚性管415，接连螺栓413，一段长120cm的柔性管416、三段柱状部件412和一个法兰盘414组成。

刚性管415由金属导管411、连接螺栓413和布置有光纤光栅的柱状部件412构成，金属导管411两端均加工有15mm长内螺纹。通过连接螺栓413将柱状部件412固定在金属导管411内，具体结构同实施例五。

柔性管416外径与接连螺栓413大头端外径相等，柔性管416由接连螺栓413固定在布置有光纤光栅的柱状部件412外，具体结构类似实施例五。

整个空心导管41通过连接螺栓413外螺纹与金属导管411内螺纹的连接，构成刚性管415和柔性管416依次联接而成的链杆结构。

应变测量光栅区位置分别位于刚性管415和柔性管416的正中部位。

本实施方式中的光纤光栅测斜仪中将空心长管41设计为柔性管416与刚性管415依次间隔连接的链杆结构，柔性管416的作用类似铰接。刚性管415与刚性管415之间通过“铰”只传递剪力，不传递弯矩。并且由于钢性管415和柔性管416都相对粗短，长径比减小，因此抗弯钢度也较大。当倾斜计4安装在施工孔内后，在任意土推力作用下钢性管415发生平移或柔性管415发生转动，而管轴线仍然保持直线。则只要确定柔性管(铰)与刚性管之间的相对转动角度，就可递推得到倾斜计长管上任意一点的位移。

为适应测斜仪不同的适用环境，本实施方式中的刚性管415和柔性管416可以选用不同的材料组合。如，刚性管415选用不锈钢，柔性管416选用PVC材料；或者刚性管415选用PVC材料，柔性管416选用软性塑料；或者适应于测量环境需要的不同刚性和柔性材料组合。只要倾斜计4的空心导管41结构表现为“刚”、“柔”相间的链杆结构，便属于本发明技术方案的范围。

本实施方式中的“刚”、“柔”相间的链杆结构也不仅限于一段柔性管间隔两段刚性管的数量。根据实际适用需要和材料特性，可以“刚”、“柔”依次间隔延长空心导管。并且，基于温度补偿光栅的作用，空心导管中温度补偿光栅的布置主要根据测斜仪适用环境的温度变化特征、倾斜计的长度、刚性管和柔性管的选材料等特征确定，并不限于本实施方式中所述的方式。同时，本实施例中将应变测量光栅区布置在柱状部件的中间部位是为了方便测斜仪在使用时角度位移计算的简洁，而不是实现本技术方案不可改变的条件。

实施例七

如图12所示，加工一种光纤光栅测斜仪，其与实施例六中相同之处不再重复，其不同之处在于：

刚性管415中分别固定两段柱状部件412，并保证应变测量光栅区位于刚性管415近两端的部位。

实施例八

加工一种光纤光栅测斜仪，其与实施例六中相同之处不再重复，其不同之处在于：

在刚性管415和柔性管416中，每根光纤421上等距离串联有多个应变测量光栅422，串联间距约12mm。每根光纤421上串联的应变测量光栅422的位置对应相同。

每根光纤上串联的应变测量光栅数目是由倾斜计的长度、设备性能、测量效果、测量环境条件等确定的。

实施例九

如图13、图14所示。加工一种光纤光栅测斜仪，其与实施例六中相同之处不再重复，其不同之处在于：在柔性管416外周安装有保护罩417。

保护罩417主体为网状，上下边分别带有一段固定条4171，固定条4171上有固定孔4172。用螺栓穿过固定孔4172可以将保护罩固定安装在柔性管416外部。

实施例十

如图15、图16所示。一种利用实施例六中的光纤光栅测斜仪实施的测斜算法。此实施例中仅以二维坐标值的计算为例说明计算过程，具体步骤如下：

(1)安装光纤光栅测斜仪，确定测斜计露地面原点α₀的空间二维坐标真值(x₀，y₀)。

安装光纤光栅测斜仪，利用静态GPS给定出测斜计4露地面原点α₀的空间坐标真值(x₀，y₀)。根据实测，设坐标

的值为(0，0)。

(2)确定测斜计空心导管41链杆结构结点处空间二维转角值(α_n，x，α_n，y).

当测斜计4发生弯曲变形时，由于空心导管41呈链杆结构，则柔性管416处成为测斜计4形变的转角结点处。

通过波长解调设备2读取光纤光栅传感器反射波长变化值。根据光栅解调值，在考虑温度补偿后，得出测斜计空心导管41链杆结构上转角结点α₁和α₂的空间二维转角值(α_1，x，α_1，y)和(α_2，x，α_2，y)，其中(1，x)、(2，x)、(1，y)和(2，y)分别为结点α₁和α₂在x轴和y轴的投影值。

设第一结点处a₁＝(x₁，y₁)，第二结点处a₂＝(x₂，y₂)。

(3)根据公式1计算倾斜计4空心导管41链杆结构上结点α₁和α₂的空间二维坐标值。

实测得到：α₁＝45°，α₂＝30°，刚性管节杆长l＝10cm，则有：

$a_{1(x_1,y_1)}=(x_0+{\cos \mathrm{\α}}_1\·l,y_0+{\sin \mathrm{\α}}_1\·l)$

$=(0+\cos 45\×\mathrm{10,0}+\sin 45\×10)$

$=\left(\mathrm{7.07,7.07}\right)$

$a_{2(x_2,y_2)}=(x_1+\cos {\mathrm{\α}}_2\·l{,y}_1+\sin {\mathrm{\α}}_2\·l)$

$=(7.07+\cos 30\×\mathrm{10,7.07}+\sin 30\×10)$

$=\left(\mathrm{18.66,12.07}\right)$

(4)根据公式2计算结点α1和α2之间任意点a_(x，y) ^1，2点的空间二维坐标值

结点

之间的任意点a_(x，y) ^1，2的值按线性变化，则任意点a_(x，y) ^1，2的值计算为：

$a_{(x,y)}^{\mathrm{1,2}}=(x_1+\frac{x-x_1}{x_2-x_1},y_1+\frac{y-y_1}{y_2-y_1})$

$=(7.07+\frac{x-7.07}{18.66-7.07},7.07+\frac{y-7.07}{12.07-7.07})$

Claims (11)

1.一种光纤光栅测斜仪，包括光源（1）、波长解调设备（2）、光分路器（3）和倾斜计（4）；光源（1）和波长解调设备（2）连接在光分路器（3）的同一侧，其特征在于：所述倾斜计（4）包括空心导管（41）和光纤光栅（42）；所述空心导管（41）是由刚性管（415）和柔性管（416）依次间隔联接组成的链杆结构，空心导管（41）的内部沿轴向平行布置至少一根光纤（421）；每根光纤（421）上联接至少一个应变测量光栅（422），应变测量光栅区位置分别位于刚性管（415）与柔性管（416）正中部位，或者位于刚性管（415）近两端部位与柔性管（416）正中部位；每根光纤（421）上联接的应变测量光栅（422）的位置对应相同；光纤（421）连接到光分路器（3）的另一侧。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述空心导管（41）内部沿轴向平行布置有3根光纤（421），光纤（421）之间彼此等距。

3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述每根光纤（421）上联接的应变测量光栅（422）为等距离串联。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述串联间距为10～15cm。

5.根据权利要求1或2或4所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：其中一根光纤（421）上还联接有至少一个温度补偿光栅（423）。

6.根据权利要求1或2或4所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述空心导管（41）还包括连接螺栓（413），连接螺栓（413）大头端加工有外螺纹；所述刚性管（415）两端加工有内螺纹，所述柔性管（416）外径与接连螺栓（413）大头端外径相等；通过连接螺栓（413）将柔性管（416）固定在两个连接螺栓（413）之间，两个连接螺栓（413）的大头端再分别与刚性管（415）螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述空心导管（41）内部光纤光栅（42）的布置方式为如下二种方式之一：

方式一：光纤光栅（42）粘贴在刚性管（415）和柔性管（416）的内表面；

方式二：所述空心导管（41）还包括柱状部件（412），柱状部件（412）两端加工有外螺纹，外表面布置有光纤光栅（42），应变测量光栅区布置在柱状部件（412）正中部位；所述柱状部件（412）通过螺纹连接固定在两连接螺栓（413）之间；在刚性管（415）段的柱状部件（412）外通过连接螺栓（413）固定有刚性材料管；在柔性管（416）段的柱状部件（412）外通过连接螺栓（413）固定有柔性材料管。

8.根据权利要求1或2或7任一所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述柔性管（416）长度为10～15cm，钢性管（415）的长度大于柔性管（416）长度。

9.根据权利要求7所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：当使用方式二时，所述应变测量光栅区布置在柱状部件（412）的正中部位。

10.根据权利要求1、2、4、7、9任一所述光纤光栅测斜仪，其特征在于：在所述柔性管（416）外固定有保护罩（417）；所述保护罩（417）为网状结构，通过螺栓固定。

11.一种利用如权利要求1所述的光纤光栅测斜仪实现的测量方法，其特征在于：按照如下步骤进行：

S1、安装光纤光栅测斜仪，确定测斜计露地面原点α₀的空间坐标真值(x₀,y₀)；

S2、测斜计发生弯曲变形后，根据光栅解调变化值确定测斜计空心导管（41）链杆结构任意结点α_n处空间转角值（α_n,x,α_n,y,α_n,z），其中（n,x），（n,y），（n,z）分别为结点α_n处在x轴，y轴，z轴的投影值；

S3、根据公式1计算测斜计空心导管链杆结构上任意结点的空间坐标值， $(x_n,y_n,z_n)=(x_0,y_0,z_0)+(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_{i,x}\·l_i,\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_{i,y}\·l_i,\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_{i,z}\·l_i)$ 公式1式中，l_i—_i段测斜计钢性管的长度，m；

α_i,(x,y,z)——i段测斜计柔性管处在x,y,z方向转角值，弧度°，由现场实测得到；

S4、根据公式2计算任意两间任意点的空间坐标值

${\mathrm{\α}}_{(x,y,z)}^{1.2}=(x_1+\frac{x-x_1}{x_2-x_1},y_1+\frac{y-y_1}{y_2-y_1},z_1+\frac{z-z_1}{z_2-z_1})$ 公式2。

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