CN102032873B - 一种大量程光纤光栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大量程光纤光栅位移传感器，包括套筒，位于套筒上方的沉降盘下表面与滑动连杆固定连接，滑动连杆下端伸入套筒内，套筒内沿套筒轴线方向依次套装两个以上的FBG传感器，各FBG传感器之间通过弹簧连接，位于套筒最上方的传感器顶端与滑动连杆的下端固定连接，位于套筒最下方的传感器的底端通过弹簧与刚性测杆固定连接，刚性测杆的底端伸出套筒的底部与注浆锚头固定连接，各FBG传感器通过光缆依次串接后与光纤光栅调解仪连接。本发明准确的进行大量程的测量，灵敏度高，结构简单。可根据软基沉降量的大小，选择多个FBG传感器进行串接，误差数据少，监测精度高。

Description

一种大量程光纤光栅位移传感器

技术领域

本发明涉及一种位移传感器，具体地说是一种大量程光纤光栅位移传感器，特别适用于高等级公路软基沉降监测。

背景技术

软土地基的形变和稳定是软基筑路工程的两个关键性的问题，也是软基处理的主题，它们与土的应力、应变以及施工时加荷速率有着密切的关系。为了确保路基在施工过程中的安全稳定及准确预测工后沉降，应在工程全线选定具有代表性的特殊断面和一般断面进行软基监测，定量测定地基的应力和应变系数，以便动态地控制加载速率，监控并指导全线路堤填筑的施工，并为控制各类土层的固结状况和有效固结深度积累资料。因此对软基进行监测是一项必不可少的关键性工作。

我国高速公路软基监测当前主要采用埋入式沉降标、测斜仪、孔隙水压计等进行监测，但是这些监测仪器的自动化程度及可靠性低、数据不及时、测量精度低，影响软基监测的效果和工后沉降的预测，不利于信息化施工。

自1989年Meltz等人应用全息侧写技术成功制成光纤光栅以来，光纤光栅由于其优异性能，在传感技术领域倍受青睐。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

采用光纤光栅原理的位移计称为光纤光栅位移计，简称FBG位移计(FBG是FiberBragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅)，FBG位移计有着监测灵敏度高、能实时在线监测软基沉降等优点。但目前其监测的的缺陷在于其监测的量程很有限，国内如北京基康公司所生产的FBG位移计，量程在20cm以内，能满足桥梁、隧道、大坝等领域的位移监测，而高等级公路软基沉降值远超出此量程，所以必须开发适合软基沉降监测的大量程位移计来满足监测要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种应用光纤光栅技术制成的光纤光栅传感器，本发明的光纤光栅传感器可以满足大量程位移监测的要求，同时又很好的利用来了光纤光栅在传感技术领域的优异性能，从而解决了现有技术中FBG传感器监测量程有限这一问题。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：

一种大量程光纤光栅位移传感器，包括套筒，位于套筒上方的沉降盘下表面与滑动连杆的上端固定连接，滑动连杆下端伸入套筒内，套筒内沿套筒轴线方向依次套装两个以上的FBG传感器，所述两个以上的FBG传感器外部保护层的外径与套筒的内径相匹配，各FBG传感器之间通过弹簧连接，位于套筒上部的第一FBG传感器的外部保护层与套筒内壁紧固，位于第一FBG传感器下方的各FBG传感器的外部保护层与套筒的内壁均为滑动配合；第一FBG传感器的顶端与滑动连杆的下端固定连接，位于套筒下部的第n FBG传感器的底端通过第n弹簧与刚性测杆的顶端固定连接，刚性测杆的底端伸出套筒的底部并与注浆锚头固定连接，所述滑动连杆、各FBG传感器、各弹簧、刚性测杆、注浆锚头与套筒共轴线，所述沉降盘的上下表面与套筒的轴线垂直，各FBG传感器通过光缆依次串接后与光纤光栅调解仪连接。

所述沉降盘为上下表面均为平面的圆形盘或椭圆形盘或平滑曲线盘。

所述沉降盘为直径大于或等于50cm的圆盘。

所述FBG传感器通过刚性金属杆或金属连接座与弹簧连接。

所述各弹簧的量程范围为20-25cm。

所述各FBG传感器的中心波长的差值均在1nm以上，各FBG传感器为同厂家同型号FBG传感器。

所述刚性测杆为多截连接杆。

所述套筒的内壁有润滑涂层。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中，由于将监测目标的位移量直接转化于多个弹簧的伸缩，这可以减少加载到光纤光栅上的应变量，从而可以扩大光纤光栅位移传感器的量程监测范围，对于软基表面较大位移的变化，可以准确的进行大量程的测量，灵敏度高，结构简单。

2、可根据软基沉降量的大小，选择多个FBG传感器进行串接封装。

3、与常规的监测方式相比，采用本发明的位移传感器得到的监测数据克服了常规监测的数据漂移较大的缺陷，监测数据的结果没有出现数据的上下反复漂移，误差数据少，监测数据稳定，精度高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为采用本发明进行监测得到的监测数据与常规沉降板监测数据曲线的比较。

图中，1为套筒，2为沉降盘，3为滑动连杆，4为第一FBG传感器，5为第n FBG传感器，6为刚性测杆，7为注浆锚头，8为定位销，9为刚性金属杆，10为光缆，11为第一弹簧，12为第n弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

一种大量程光纤光栅位移传感器(即为本发明中的各FBG传感器)，包括套筒1，位于套筒1上方的沉降盘2下表面与滑动连杆3的上端固定连接，滑动连杆3下端伸入套筒1内，套筒1内沿套筒轴线方向依次套装两个以上的FBG传感器，所述两个以上的FBG传感器外部保护层的外径与套筒1的内径相匹配，各FBG传感器之间通过弹簧连接，位于套筒1上部的第一FB6传感器4的外部保护层与套筒内壁紧固，本实施例中，第一FBG传感器4的外部保护层与套筒内壁通过定位销8来紧固，位于第一FBG传感器4下方的各FBG传感器的外部保护层与套筒1的内壁均为滑动配合；第一FBG传感器4的顶端与滑动连杆3的下端固定连接，位于套筒1下部的第n FBG传感器5的底端通过第n弹簧12与刚性测杆6的顶端固定连接，刚性测杆6的底端伸出套筒1的底部并与注浆锚头7固定连接，所述滑动连杆3、各FBG传感器、各弹簧、刚性测杆6、注浆锚头7与套筒1共轴线，所述沉降盘2的上下表面与套筒1的轴线垂直，各FBG传感器通过光缆10依次串接后与光纤光栅调解仪连接。

沉降盘2为上下表面均为平面的圆形盘或椭圆形盘或平滑曲线盘，设置沉降盘2的目的主要是保证第一FBG传感器4的上端能和软基表面共同下沉。

实践中，优选采用直径大于等于50cm的圆形盘，保证第一FBG传感器4的上端能和软基表面共同下沉的同时，使得沉降过程中的阻力最小，即外界的干扰最小，传感器测的数据更为精准。

各FBG传感器通过刚性金属杆9或金属连接座与弹簧连接，由于各个FBG传感器与弹簧均有弹性，通过刚性金属杆或者金属连接座进行力的传递更有利于力的传递的准确性与稳定性。

优选的，各弹簧的弹性系数相等，或者相差不大，各弹簧的量程范围为20-25cm可满足要求。

这样，我们选择的各弹簧为同厂、同型号的弹簧，其量程和弹性系数均相等，此时的效果最好；

各弹簧量程不相等时，选择各自的量程范围为20-25cm，可保证弹性系数相差不大。

第一FBG传感器4至第n FBG传感器5中各传感器的中心波长的差值均在1nm以上。各FBG传感器的弹性系数相等，或者相差不大，这样，我们选择的各FBG传感器为同厂、同型号的FBG传感器，可以保证弹性系数基本相等。

刚性测杆6为分截的多截连接杆，每截杆的连接处均有相匹配的螺纹可以不断接长，适合不同的监测环境需要。

套筒1的内壁涂有润滑剂，如可以采用黄油或机油润滑，减小滑动的摩擦阻力，增加监测结果的准确性。

采用本发明的大量程光纤光栅位移传感器进行位移监测的原理如下：

现场监测埋设时，通过钻孔将注浆锚头7埋入到相对稳定的地层中的指定标高，并压注适量的水泥浆将其与周围土体固结，注浆锚头7的上端通过刚性测杆6与传感器相连，刚性测杆6可以伸缩或者接长，沉降盘2埋设于待检测土层，沉降盘的上表面与待检测土层的上表面水平；当软基施工加载后，产生压缩变形，沉降盘2发生下沉，弹簧随之发生变形，并带动光纤光栅一起发生形变，引起光纤光栅波长发生变化，沉降量可以通过读取各个光纤光栅传感器监测量之和获得。

本实施例采用三个FBG传感器，自上而下的三个FBG传感器分别定义为第一FBG传感器4、第二FBG传感器(图中未示出)、第三FBG传感器5(此时n＝3，第nFBG传感器即为第三FBG传感器)，各自的弹性系数依次分别为定义K₁、K₂、K₃，第二FBG传感器和第三FBG传感器均能在套筒1内滑动，

自上而下的三根弹簧分别为第一弹簧11，第二弹簧(图中未示出)，第三弹簧12(此时n＝3，第n弹簧即为第三弹簧)，三者的弹性系数依次分别定义为K₄、K₅、K₆，外界软基沉降发生量定义为L，即沉降盘2发生的沉降量为L，则：

L＝L₁+L₂+L₃    ①

式①中，L₁、L₂、L₃分别为第一FBG传感器、第二FBG传感器、第三FBG传感器所监测的位移量。

其中：

$L_1=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_1\frac{K_1{K}_4}{K_1+K_4}{K}_1$ ②

$L_2=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_2\frac{K_2{K}_5}{K_2+K_5}{K}_2$ ③

$L_3=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_3\frac{K_3{K}_6}{K_3+K_6}{K}_3$ ④

式②、③、④中：

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1(1-P_e)}$ ⑤

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2(1-P_e)}$ ⑥

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_3=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}{{\mathrm{\λ}}_3(1-P_e)}$ ⑦

式⑤、⑥、⑦中，

λ₁、λ₂、λ₃为三个光纤传感器的中心波长，在选用光纤传感器时，λ₁、λ₂、λ₃均为已知的常量；

P_e为光纤的弹光系数，为已知的常量；

Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃为三个FBG传感器的波长漂移量；

Δε₁、Δε₂、Δε₃分别为计算得出的三个FBG传感器发生的应变；

Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃三个FBG传感器的波长漂移量可通过光缆将传感器与光纤光栅解调仪连接测量得到。

因此，就可以得到出软基沉降发生量L。

以下为本发明一种大量程光纤光栅传感器的工程应用实例：

该大量程光纤光栅传感器在江西德兴至南昌高速公路D10标段软基试验段进行实施，该标段软基分布范围：0～3.5m范围内为粉质粘土，3.5～5.0m内为淤泥质土，5.0～8.0m内为粉质粘土，8.0m以下为细砂、圆砾；软基采用CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)处理。

本次监测频率为路堤施工加载期间每天监测一次，每填筑一层前后各监测一次；路堤填筑完成后，半月观测一次；由于光纤监测自动化程度高、现场取数容易，在整个软基填筑施工期(2010年1月至2010年5月)内，每天读取监测数据一次，路基累计填筑高度为7.5m。

图2为采用本发明进行监测得到的监测数据与常规沉降板监测数据曲线的比较。

从两种手段监测的曲线可以发现：两种监测方式的沉降变化趋势基本一致，但常规监测的数据漂移较大，主要是监测过程中人为及仪器误差所致，而采用本发明大量程光纤光栅位移传感器进行监测得到的监测数据的结果没有出现数据的上下反复漂移，误差数据少，监测数据稳定，精度高。

需要说明的是：对于所属领域的技术人员来说，在不改变发明原理的前提下，可以在本发明的大量程光纤光栅位移传感器的套筒内封装三个或多个光纤光栅位移传感器，与多个弹簧按照本发明所公开的方式依次串接，只要结构和原理与本发明相同，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大量程光纤光栅位移传感器，包括套筒(1)，其特征在于：位于套筒(1)上方的沉降盘(2)下表面与滑动连杆(3)的上端固定连接，滑动连杆(3)下端伸入套筒(1)内，套筒(1)内沿套筒轴线方向依次套装两个以上的FBG传感器，所述两个以上的FBG传感器外部保护层的外径与套筒(1)的内径相匹配，各FBG传感器之间通过弹簧连接，位于套筒(1)上部的第一FBG传感器(4)的外部保护层与套筒内壁紧固，位于第一FBG传感器(4)下方的各FBG传感器的外部保护层与套筒(1)的内壁均为滑动配合；第一FBG传感器(4)的顶端与滑动连杆(3)的下端固定连接，位于套筒(1)下部的第n FBG传感器(5)的底端通过第n弹簧(12)与刚性测杆(6)的顶端固定连接，刚性测杆(6)的底端伸出套筒(1)的底部并与注浆锚头(7)固定连接，所述滑动连杆(3)、各FBG传感器、各弹簧、刚性测杆(6)、注浆锚头(7)与套筒(1)共轴线，所述沉降盘(2)的上下表面与套筒(1)的轴线垂直，各FBG传感器通过光缆(10)依次串接后与光纤光栅调解仪连接。

2.根据权利要求1所述的一种大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述沉降盘(2)为上下表面均为平面的圆形盘或椭圆形盘。

3.根据权利要求2所述的一种大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述沉降盘(2)为直径大于或等于50cm的圆盘。

4.根据权利要求3所述的一种大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述FBG传感器通过刚性金属杆(9)或金属连接座与弹簧连接。

5.根据权利要求4所述的一种大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述各弹簧的量程范围为20-25cm。

6.根据权利要求4所述的一种大量程光线光栅位移传感器，其特征在于：所述各FBG传感器的中心波长的差值均在1nm以上，各FBG传感器为同厂家同型号FBG传感器。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的一种大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述刚性测杆(6)为多截连接杆。

8.根据权利要求7所述的一种大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述套筒(1)的内壁有润滑涂层。

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