CN102235887A - 一种测量地面沉降的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程测量技术领域，涉及一种测量地面沉降的装置，特别涉及一种结合光纤光栅传感器对隧道或者地铁管道沉降进行测量的装置。一种测量地面沉降的装置，该装置包括光纤光栅传感器，其特征在于，该装置还包括一杠杆和分别位于该杠杆任意三处正下方的三个支座，三个支座的底部均固定于地面上，支座的顶部接位于支座正上方的杠杆或光纤光栅传感器，当支座的顶部接光栅传感器的一端时，所述光纤光栅传感器的另一端接位于该光纤光栅传感器正上方的杠杆。该装置具有结构简单，测量准确的优点。

Description

一种测量地面沉降的装置

【技术领域】

本发明属于工程测量技术领域，涉及一种测量地面沉降的装置，特别涉及一种结合光纤光栅传感器对隧道或者地铁管道沉降进行测量的装置。

【背景技术】

目前检测建筑结构沉降常用人工水平测量和电水平测量仪测量，以及一些辅助的测量方法。这些方法在日常测量中存在一定的不足，特别是在对隧道、地铁管道等地面沉降量的测量上存在很多不足，主要表现在，用人工水平测量受气候以及人工误差影响较大，更主要的是，人工水平测量隧道、地铁管道等地面沉降不能在线测量，要等地铁不运行时才能工作，而且测量速度慢，由于是分期测量，所以不能及时反映地面沉降的实际情况。

地铁安全运行需要实时测量地面沉降数据，所以电水平测量逐渐替代了人工水平测量，但是电水平测量虽然能够实时测量，但是却存在抗干扰差等缺点。

光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤传感器具有灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀或者其他恶劣环境；具有与光纤遥测技术的内在相容性等众多优点。所以光纤传感器的应用领域不断拓展，专利申请号为：200620019599.4公开了一种将光纤光栅传感器应用于测量地表沉降的测量的设备。该设备采用上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的粗端固定在工程结构中的固定装置上、细端通过刃口与挂钩挂上沉降墩，沉降墩直接埋置于待测地点的地表，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用光纤Bragg光栅分析仪获取Bragg波长移位量，并将测量结果进行差动运算，从而消除温度的影响，以得到待测地表沉降量。由于该设备是通过悬臂梁的弯曲变形量来计算沉降墩的垂直位移量，所以要求悬臂梁的变形是符合规则并可计算的，但是实际情况却很难控制，所以其实际测量起来还是有一定的误差存在。

【发明内容】

本发明提出了将光纤光栅传感器应用于测量隧道或者地铁管道沉降的装置。本发明相比于之前的将光纤光栅传感器应用于测量地表沉降的设备来说具有结构简单，而且测量准确的优点，相比于其它的人工或者电水平测量具有实时，而且受干扰程度小，同时具有精度高，可远程传输数据等优点。当然本发明提出的测量装置不仅可以应用于管道沉降，还可以应用于其它物体表面形变的测量之中。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供一种测量地面沉降的装置，该装置包括光纤光栅传感器，其特征在于，该装置还包括一杠杆和分别位于该杠杆任意三处正下方的三个支座，三个支座的底部均固定于地面上，支座的顶部接位于该支座正上方的杠杆或光纤光栅传感器，当支座的顶部接光栅传感器的一端时，所述光纤光栅传感器的另一端接位于该光纤光栅传感器正上方的杠杆。

上述光纤光栅传感器为一个，所述杠杆的任一处接光纤光栅传感器的一端，该光纤光栅传感器的另一端接位于该光纤光栅传感器正下方的支座顶部，另外两个支座的顶部分别接位于该支座正上方的杠杆的另外两处。

上述光纤光栅传感器接杠杆的端部，所述杠杆的另一端部接支座，另一支座接杠杆中部。

两支座分别接杠杆的两端部，所述杠杆的中部接光纤光栅传感器。

上述光纤光栅传感器为两个，所述光纤光栅传感器分别接杠杆的端部和中部，分别与两个光纤光栅传感器相接的两支座位于另一支座的一侧，所述的另一支座接杠杆的另一端部。

上述光纤光栅传感器为两个，两光纤光栅传感器的一端分别接杠杆的两端部，两光纤光栅传感器的另一端分别接两支座，另外一支座与杠杆的中部相接。

上述的另一支座与杠杆中部的接点在杠杆的重心线上。

上述杠杆为型变量小的笔直形杠杆，且其重心位于杠杆的中心。

所述杠杆与光纤光栅传感器或支座铰接或弹性抵接，所述光纤光栅传感器与支座固定连接、铰接或者弹性抵接。

所述光纤光栅传感器还包括温度检测装置。

本发明有益的技术效果在于：

通过杠杆，将地面水平的沉降量转变成杠杆的垂直位移量，通过光纤光栅传感器检测出杠杆的垂直位移量，即可通过计算机换算成地面的水平沉降量，具有结构简单，测量准确的优点；

另外通过杠杆原理，将杠杆一端微小的垂直位移量放大成杠杆另一端较大的垂直位移量，如此更能利于测量的准确；

通过光纤来传输数据具有抗干扰性好，测量距离远等优点，而且本身光纤光栅传感器又具有测量数据可靠，防水性以及抗雷击性能好的优点。

【附图说明】

图1为本发明实施例1的正面结构示意图；

图2为本发明实施例2的正面结构示意图；

图3为本发明实施例3的正面结构示意图；

图4为本发明实施例4的正面结构示意图。

【具体实施方式】

本发明提供一种结合光纤光栅传感器对地铁隧道地面沉降量进行测量的装置，该装置除包括光纤光栅传感器外，还包括一杠杆和分别位于该杠杆任意三处正下方的三个支座，三个支座的底部均固定于地面上，支座的顶部接位于支座正上方的杠杆或光纤光栅传感器，当支座的顶部接光栅传感器的一端时，所述光纤光栅传感器的另一端接位于该光纤光栅传感器正上方的杠杆。该装置具有结构简单，测量准确的优点。

下面结合具体实施例和说明书附图，对本发明作进一步的阐述和说明：

实施例1

如图1所示，一种测量地面沉降的装置，包括杠杆11、第一支座12、第二支座13、第三支座14以及第一光纤光栅传感器15，所述杠杆为型变量小的材料制作而成的笔直形的杠杆，其重心在杠杆的中心，所述光纤光栅传感器包括温度检测装置，所述第一支座12位于杠杆11的左端的正下方，且所述第一支座12的顶部与所述杠杆11的左端部111铰接，所述第二支座13位于所述第一支座12和第三支座14中间，且位于杠杆11的正下方，所述第二支座13与所述杠杆11的铰接点为支点112，该支点112与该杠杆11的重心线上。所述杠杆11的右端部113与第一光纤光栅传感器15的一端铰接，所述第一光纤光栅传感器15的另一端与第三支座14的顶部铰接，所述第一支座12、第二支座13和第三支座14的底部分别固定于地面上的第一处16、第二处17和第三处18。所述第一光纤光栅传感器15处于正常伸缩状态，即没有被压缩也没有被拉长。

假如地面第一处16沉降，其它两处不沉降，则沉降的地面带动第一支座12向下压，而通过杠杆效应带动杠杆11的右端部113向上抬起，致使第一光纤光栅传感器15发生垂直方向的位移，致使光信号发生改变，该第一光纤光栅传感器通过光纤将信号传递给远程的解调仪，通过解调仪将信号转换成第一光纤光栅传感器在垂直方向上的位移量，也即是杠杆11的右端部113向上抬起的量，又根据杠杆原理，将杠杆11的右端部113的向上抬起量换算即可得到地面第一处16的沉降量。

同理，假如地面第三处18沉降，其它两处不沉降，虽然如此使杠杆11的右端部113位置不发生改变，但是由于地面第三处18沉降，带动第三支座14向下移动，而同样使第一光纤光栅传感器15拉长，即发生垂直方向上的位移，而且其位移量与地面沉降量是相同的。

而假如地面第二处17沉降，其它两处不沉降，地面第二处17下降，致使第二支座13下降，从而带动杠杆11的右端部113向下压，从而使第一光纤光栅传感器15压缩，通过解调以及杠杆原理换算，可得地面第二处17的沉降量。

在使用时，往往会通过观察第一光纤光栅传感器15的正负位移量来计算与三个支座固定连接的各处的沉降量，由于第一光纤光栅传感器15出现拉长情况，则有可能是地面第一处16或者地面第三处18发生了沉降，或者可能是地面第一处16、第二处17和第三处18都发生了沉降，只是第一处16或第三处18的沉降量比其它两处都要大，或者当第一光纤光栅传感器15出现压缩时，则有可能是三处均发生的了沉降，只是第二处17比其它两处的沉降量要大。所以在实际测量时，还需要通过其它的一些辅助手段，例如人工水平测量或者电水平测量仪来测量。或者可以通过该装置测量出各处的相对沉降量。

而如果将本实施例的第一支座12或者第三支座14固定在不能沉降的地面上，则即可以通过第一光纤光栅传感器15的正负位移量确定其它两处的沉降量。

将该装置应用于测量其它物体表面形变，也适用于同样的原理。

当然，要获得精确的测量结果，需要采用型变量较小的材料支座所述杠杆11、第一支座12、第二支座13以及第三座14。同时通过温度测量装置消除温差效应对测量结果的影响。

需要说明的是：在上述实施例1的基础之上，将所述第二支座13设置成与所述杠杆11抵接，则当第二处17沉降时，第一光纤光栅传感器15的位移量不会发生改变。而在上述实施例1的基础之上，将所述第一光纤光栅传感器15与杠杆11的右端部113设置成弹性抵接时，则第一处16沉降同样会带来第一光纤光栅传感器15垂直位移量发生改变，同样通过该装置可以测量出来第一处16的沉降量。

实施例2

如图2所示，一种测量地面沉降的装置，包括杠杆11、第一支座12、第二支座13、第三支座14以及第一光纤光栅传感器15，所述杠杆为型变量小的材料制作而成的笔直形的杠杆，其重心在杠杆的中心，所述光纤光栅传感器包括温度检测装置，所述第一支座12位于杠杆11的左端的正下方，且所述第一支座12的顶部与所述杠杆11的左端部111铰接，所述第二支座13位于所述第一支座12和第三支座14中间且位于第一光纤光栅传感器15的正下方，所述第一光纤光栅传感器15位于所述杠杆11的正下方，该第一光纤光栅传感器15的一端与杠杆11的中部一点112铰接，该第一光纤光栅传感器15的另一端与位于该第一光纤光栅传感器15正下方的第二支座13的顶部铰接。所述杠杆11的右端部113与第三支座14的顶部铰接，所述第一支座12、第二支座13和第三支座14的底部分别固定于地面上的第一处16、第二处17和第三处18。所述第一光纤光栅传感器15处于正常伸缩状态，即没有被压缩也没有被拉长。

假如地面第一处16或第三处18沉降，则会导致第一光纤光栅传感器15压缩，通过计算该第一光纤光栅传感器15的压缩位移量即可计算出地面第一处16或第三处18的沉降量。

假如地面第二处17沉降，则会导致第一光纤光栅传感器15伸长，通过计算该第一光纤光栅传感器15的伸长位移量，可计算出地面第二处17的沉降量。

与实施例1相同的道理，在使用时，仅仅根据第一光纤光栅传感器15的正负位移量是不能准确判断出地面三处的沉降量的，只能得到三处的相对沉降量，如要准确知道每一处的沉降量需要借助其他的辅助手段，由于这些辅助手段是公知技术，在此不再赘述。

需要说明的是：在实施例2的基础之上，设置第一光纤光栅传感器15抵接于杠杆的中部一点112，则地面第一处和第三处沉降同样可以带动第一光纤光栅传感器15向下压缩，如第一光纤光栅传感器15与杠杆不是弹性抵接，则在地面第二处沉降时，第一光纤光栅传感器不会出现拉长的情况。同理，设置第一支座或者第三支座与杠杆弹性抵接，当地面沉降时带动第一光纤光栅传感器15发生正负位移的效果与第一支座或第三支座与杠杆铰接的效果是一样的，通过计算第一光纤光栅传感器15的正负位移量，同样可以得出地面三处的相对位移量。

实施例3

如图3所示，一种测量地面沉降的装置，包括杠杆11、第一支座12、第二支座13、第三支座14、第一光纤光栅传感器15和第二光纤光栅传感器19，所述杠杆为型变量小的材料制作而成的笔直形的杠杆，其重心在杠杆的中心，所述光纤光栅传感器包括温度检测装置，所述第一支座12位于杠杆11的左端部111的正下方，且所述第一支座12的顶部与所述杠杆11的左端部111铰接，所述第三支座14位于杠杆11右端部113的正下方，且所述第三支座14的顶部与位于该第三支座14正上方的第二光纤光栅传感器19一端铰接，该第二光纤光栅传感器19的另一端与杠杆11的右端部113铰接，所述第二支座13位于第一支座12和第三支座中间且位于杠杆11的正下方。所述第二支座13的顶部与位于该第二支座13的正上方的第一光纤光栅传感器15铰接，该第一光纤光栅传感器15与杠杆中部一点112铰接，该第一光纤光栅传感器15与杠杆的铰接点位于杠杆11的重心线上。所述第一支座12、第二支座13和第三支座14的底部分别固定于地面上的第一处16、第二处17和第三处18。

如图3所示，假如地面第一处16沉降，则会带动第一光纤光栅传感器15压缩，第二光纤光栅传感器19伸长；假如地面第三处18沉降，则会带动第一光纤光栅传感器15压缩，第二光纤光栅传感器19伸长，而地面第一处16与地面第三处18具有相同的沉降量时，两者的第一光纤光栅传感器15的压缩量以及第二光纤光栅传感器19伸长量均不相同；假如地面第二处17沉降，则会带动第一光纤光栅传感器15伸长，第二光纤光栅传感器19压缩，所以据此我们可以根据第一光纤光栅传感器15和第二光纤光栅传感器19的正负位移量计算出各处的沉降量。

同样需要说明的是：在实施例3的基础上，本领域的普通技术人员还可以根据实际情况将杠杆11与第一支座12或第一光纤光栅传感器15或第二光纤光栅传感器19的铰接方式设置成弹性抵接，根据各种弹性抵接的方式不同，地面各处相同沉降量，也会导致第一光纤光栅传感器15和第二光纤光栅传感器19的正负位移量不同，在使用时，根据测得的第一光纤光栅传感器15和第二光纤光栅传感器的沉降量可以分别准确判断并计算出地面各处的沉降量。

实施例4

如图4所示，一种测量地面沉降的装置，包括杠杆11、第一支座12、第二支座13、第三支座14、第一光纤光栅传感器15和第二光纤光栅传感器19，所述杠杆为型变量小的材料制作而成的笔直形的杠杆，其重心在杠杆的中心，所述光纤光栅传感器包括温度检测装置，所述第一支座12位于杠杆11的左端部111的正下方，且所述第一支座12的顶部与位于该第一支座正上方的第一光纤光栅传感器15的一端铰接，所述第一光纤光栅传感器15与位于该第一光纤光栅传感器15的正上方的杠杆11的左端部111铰接，所述第三支座14位于杠杆11右端部113的正下方，且所述第三支座14的顶部与位于该第三支座14正上方的第二光纤光栅传感器19一端铰接，该第二光纤光栅传感器19的另一端与杠杆11的右端部113铰接，所述第二支座13位于第一支座12和第三支座中间且位于杠杆11的正下方，所述第二支座13的顶部与杠杆中部一点112铰接，该第二支座13与杠杆的铰接点位于杠杆11的重心线上。所述第一支座12、第二支座13和第三支座14的底部分别固定于地面上的第一处16、第二处17和第三处18。第一光纤光栅传感器15和第二光纤光栅传感器19处于正常伸缩状态，即没有被压缩也没有被拉长。

假如地面第一处16沉降，则会带动第一光纤光栅传感器15伸长，同时也带动第二光纤光栅传感器19伸长；假如地面第三处18沉降，则会带动第二光纤光栅传感器19伸长，同时也会带动第一光纤光栅传感器15伸长。假如地面第二处17沉降，则会同时带动第一光纤光栅传感器15和第二光纤光栅传感器19压缩。通过计算第一光纤光栅传感器15和第二光纤光栅传感器19的正负位移量，再加上其他的辅助手段，可以判断并计算出地面各处的沉降量。

同时，需说明的是，在实施例4的基础上，将杠杆与第一光纤光栅传感器15、第二支座13或第二光纤光栅传感器16的铰接方式设置成弹性抵接，则当地面各处沉降时会出现第一光纤光栅传感器15和第二光纤光栅传感器19不同的正负位移量，本领域的普通技术人员运用力学和数学知识可以分析的出来，再次不再赘述。

最后，需要说明的是上述的实施例是对本发明权利要求书的解释，而非限制，本领域的技术人员根据本发明的原理和构思，再结合本发明的实施例，能够很容易联想的到其他的改进和变形的技术方案，例如，将杠杆的支点改变位置、改变杠杆的形状致使改变杠杆的重心位置以及再增加设置光纤光栅传感器等，还可以将几种实施例的装置合并在一起共同对处于分别三处的三个隧道管片的沉降情况进行测量。无论其怎样改进和变形，只要与本发明的原理和构思相同，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量地面沉降的装置，该装置包括光纤光栅传感器，其特征在于，该装置还包括一杠杆和分别位于该杠杆任意三处正下方的三个支座，三个支座的底部均固定于地面上，支座的顶部接位于该支座正上方的杠杆或光纤光栅传感器，当支座的顶部接光栅传感器的一端时，所述光纤光栅传感器的另一端接位于该光纤光栅传感器正上方的杠杆。

2.根据权利要求1所述的测量地面沉降的装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器为一个，所述杠杆的任一处接光纤光栅传感器的一端，该光纤光栅传感器的另一端接位于该光纤光栅传感器正下方的支座顶部，另外两个支座的顶部分别接位于该支座正上方的杠杆的另外两处。

3.根据权利要求2所述的测量地面沉降的装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器接杠杆的端部，所述杠杆的另一端部接支座，另一支座接杠杆中部。

4.根据权利要求2所述的测量地面沉降的装置，其特征在于，两支座分别接杠杆的两端部，所述杠杆的中部接光纤光栅传感器。

5.根据权利要求1所述的测量地面沉降的装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器为两个，所述光纤光栅传感器分别接杠杆的端部和中部，分别与两个光纤光栅传感器相接的两支座位于另一支座的一侧，所述的另一支座接杠杆的另一端部。

6.根据权利要求1所述的测量地面沉降的装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器为两个，两光纤光栅传感器的一端分别接杠杆的两端部，两光纤光栅传感器的另一端分别接两支座，另外一支座与杠杆的中部相接。

7.根据权利要求3或6所述的测量地面沉降的装置，其特征在于，所述的另一支座与杠杆中部的接点在杠杆的重心线上。

8.根据权利要求7所述的测量地面沉降的装置，其特征在于，所述杠杆为型变量小的笔直形杠杆，且其重心位于杠杆的中心。

9.根据权利要求1-8任一所述的测量地面沉降的装置，其特征在于，所述杠杆与光纤光栅传感器或支座铰接或弹性抵接，所述光纤光栅传感器与支座固定连接、铰接或者弹性抵接。

10.根据权利要求9所述的测量地面沉降的装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器还包括温度检测装置。

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