CN102418334A - 路基沉降远程自动监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了路基沉降远程自动监测系统，其包括监测终端、光纤传感终端和传输光缆，所述传输光缆与所述光纤传感终端和监测终端相连接；所述光纤传感终端包括光分路器、光纤位移编码装置、外壳和传动装置；所述光分路器、光纤位移编码装置和传动装置安置在所述外壳内，所述光分路器与所述光纤位移编码装置相连接。本发明利用光纤传感终端的外壳和传动装置将路基沉降的位移量转换为沿光纤传输的光学编码，并由传输光缆远程传输至监测终端，在监测终端中进行光电转换、分析处理、存储、显示、报警等操作，最终实现对路基沉降的实时、远程、自动监测，其适用于地形复杂、自然环境恶劣的路基沉降监测领域。

Description

路基沉降远程自动监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及路基沉降监测系统，特别涉及一种本地无需电能供应、不受电磁干扰、可远程自动读取的路基沉降监测系统，可应用于所有路基沉降监测领域，尤其适用于地形复杂、自然环境恶劣的路基沉降监测领域。

背景技术

铁路、公路等路基的铺设和后期运营过程中，都会发生沉降，对路基沉降的监测，证路基施工质量和长期安全运营的重要保证。而我国目前对路基沉降的监测，仍是以落后的人工巡检方式为主，辅助部分基于电子元器件组成的沉降观测仪器，这些传统的监测仪器有电磁式沉降仪、干簧管式沉降仪、横臂式沉降仪、水杯式沉降仪及沉降板等，都需要专门的技术人员在现场进行包括读数在内的监测管理。

上述监测仪器在使用过程中暴露的的问题有：(1)人工操作，自动化程度不高，监测人员的工作强度较大，特别在野外监测时，人力物力消耗更大；(2)人为因素干扰大，监测数据的可靠性难保证；(3)需要本地供电，在监测地点附件需要有电源供应，这在西南山区等偏僻地区往往难以实现；(4)无法实现实时监测，测量数据数量少，密度低；(5)易受雷电、静电等电磁干扰。因此，随着我国交通的，尤其是高速铁路的发展，对，工程方面提出对软土地基的监测要求越来越多，监测对象也越来越广泛。特别是不能实时自动监测，操作也不够方便，已不能适应我国高等级建设项目的发展需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种本地无需电能供应、不受电磁干扰、可远程自动读取的路基沉降远程自动监测系统及其监测方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

路基沉降远程自动监测系统，其包括：

监测终端，负责对进入的光信号进行光电转化、信号采集、信息分析处理、以及显示、定位和报警；

光纤传感终端，负责将路基沉降的位移量转换为沿光纤传输的光学编码；

传输光缆，负责监测终端、光纤传感终端光信号的传输；

所述传输光缆与所述光纤传感终端和监测终端相连接；

所述光纤传感终端包括光分路器、光纤位移编码装置、外壳和传动装置；所述光分路器、光纤位移编码装置和传动装置安置在所述外壳内，所述光分路器与所述光纤位移编码装置相连接。

本发明的监测方法步骤如下：

(1)首先，监测终端通过传输光缆向光纤传感终端发射光信号；

(2)光信号进入光纤传感终端后，经由光分路器分光后进入光纤位移编码装置；

(3)当路基发生沉降后，带动沉降板下沉，而持力杆由于底端插入不发生沉降的稳定地层且本身也不发生弹性形变，因此光纤传感终端的外壳和传动装置压缩；

(3)外壳和传动装置将这种沉降板和持力杆顶部之间的沉降量转换为可被光纤位移编码装置识别的位移量，光纤位移编码装置把位移量转换为对应的光学编码，这种光信号的光学编码被传输光缆回传到监测终端；

(5)监测终端对进入的光信号进行光电转换、低噪声放大、信号采集、信息分析处理、显示与报警等功能，从而实现对路基沉降的实时、远程、自动监测。

进一步的，所述监测终端包括光源模块、光分路模块、检测放大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块；所述监测终端由光源模块连接光分路模块后连接至传输光缆的输入端，再从传输光缆的输出端依次连接检测放大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块。

本发明的优选方案为，所述外壳为一两端封闭的圆筒，所述光纤位移编码装置由光纤阵列探头组和编码尺组成，所述传动装置由外壳、导向滑杆、弹簧、连接杆、连接盘和固定架组成；

所述导向滑杆和弹簧安置在所述外壳的内部，且与所述外壳的顶面和底面相连接，所述外壳底面中部开有孔，所述连接杆从孔中穿过，所述连接杆上端连接连接盘的下表面，所述连接盘嵌套在导向滑杆和弹簧上；

所述编码尺固定在连接盘的上边面，所述编码尺按照8位格雷码编码，所述外壳内侧的顶面上安装有固定架，所述光纤阵列探头组和光分路器安置在所述固定架的底端上，所述光纤阵列探头组为一对8位的光纤阵列探头，分别对应位于编码尺的两侧，和编码尺的码道一一对应，所述光分路器连接光纤阵列探头组其中的一个光纤阵列探头。

本发明的另一个优选方案为，所述外壳分为上外壳和下外壳，所述上外壳和下外壳相互嵌套形成一个全封闭的圆筒；

所述光纤位移编码装置由光纤阵列探头组和码盘组成，所述传动装置由O型圈、转换装置和钢丝绳组成；

所述O型圈安置在所述上外壳和下外壳相互嵌套的部分之间，所述转换装置、码盘和光纤阵列探头组安装在上外壳的顶部内侧，所述钢丝绳安置在所述转换装置的底部，并延伸至下外壳的底部，所述转换装置内部设有回力弹簧；

所述光纤阵列探头组为一对8位的光纤阵列探头，分别对应位于码盘的两侧，和码盘的码道一一对应，光分路器连接光纤阵列探头组其中的一个光纤阵列探头。

进一步的，所述钢丝绳可以伸缩。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.现场无需电能供应，本发明在路基沉降监测现场的部分全部由无源器件组成，无需电能供应。

2.远程数据传输，本发明将在路基沉降监测现场测得的沉降值转换为光信号的编码，并通过光缆传输，可实现数据的远程传输。

3.不受电磁干扰，本发明在路基沉降监测现场的部分不含电子元器件，不会产生短路、漏电、发热等现象，不受电磁干扰影响，也不受雷击、静电等影响。

4.实时、自动监测，本发明的光纤传感终端能够将沉降值自动、直接转换为光信号的编码并传回监测终端，在监测终端能够实现数据的实时、自动记录、计算与报警。整套系统无需人工操作，能够实现路基沉降的实时、自动监测。

5.适用环境广，本发明在在路基沉降监测现场的部分不含电子元器件，可在潮湿、水下、高温等各种恶劣环境下长期稳定工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明系统结构的安装示意图；

图3为本发明监测终端与传输光缆的连接结构示意图；

图4为本发明实施例1的结构示意图；

图5为本发明实施例2的结构示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

10.监测终端  20.传输光缆  30.光纤传感终端  11.光源模块  12.光分路模块  13.检测放大模块  14.数据采集模块  15.数据处理模块16.显示模块  31.光分路器  32.光纤位移编码装置  33.外壳  34.传动装置  321.光纤阵列探头组  322.编码尺  323.码盘  331.导向滑杆332.弹簧  333.连接杆  334.连接盘  335.固定架  336.上外壳  337.下外壳  338.O型圈  339.转换装置  330.钢丝绳  40.沉降板  41.持力杆。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1所示，本发明路基沉降远程自动监测系统包括监测终端10、传输光缆20和光纤传感终端30，所述传输光缆20与所述光纤传感终端30和监测终端10相连接。

本发明光纤传感终端30包括光分路器31、光纤位移编码装置32、外壳33和传动装置34；所述光分路器31、光纤位移编码装置32和传动装置34安置在所述外壳33内，所述光分路器31与所述光纤位移编码装置32相连接。

参见图3所示，本发明监测终端10包括光源模块11、光分路模块12、检测放大模块13、数据采集模块14、数据处理模块15和显示模块16；所述监测终端10由光源模块11连接光分路模块12后连接至传输光缆20的输入端，再从传输光缆20的输出端依次连接检测放大模块13、数据采集模块14、数据处理模块15和显示模块16。

参见图2所示，本发明在监测前必须要预先安置，其安置的方法如下：

(1)首先将光纤传感终端30埋设在需要监测的路基区域，可根据需要进行大量埋设：

(2)然后在需要监测的地点向下竖直打孔，深至稳定地层(默认不发生沉降的地层)，然后将持力杆41(默认不发生弹性形变的杆状物)放入孔中，下端插入稳定地层，上端连接光纤传感终端30的底部，最后在光纤传感终端30的顶部加盖沉降板40并填土夯实；

(3)将监测终端10放置在远离路基沉降监测现场的机房中；将传输光缆20一端连接监测终端10，另一端延伸至路基沉降监测现场，并根据光纤传感终端30的数量和位置将传输光缆20进行分支和连接。

实施例1

参见图1所示，本实施例包括监测终端10、传输光缆20、光纤传感终端30，传输光缆20两端分别连接监测终端10和光纤传感终端30。

参见图3所示，监测终端10包括光源模块11、光分路模块12、检测放大模块13、数据采集模块14、数据处理模块15和显示模块16。

参见图4所示，光纤传感终端30包括光分路器31、光纤阵列探头组321、编码尺322、外壳33、导向滑杆331、弹簧332、连接杆333、连接盘334、固定架335。

外壳331为一两端封闭的圆筒，在外壳331内侧的顶面和底面之间连接有导向滑杆331和弹簧332，在外壳331底面中部开有孔，连接杆333从孔中穿过，连接杆333下端连接图2中的持力杆41，连接杆333上端连接连接盘334的下表面，连接盘334嵌套在导向滑杆331和弹簧332上，编码尺322固定在连接盘334的上边面，编码尺322按照8位格雷码编码，在外壳331内侧的顶面上安装有固定架335，在固定架335的底端上安装有光纤阵列探头组321和光分路器31，光纤阵列探头组321为一对8位的光纤阵列探头，分别对应位于编码尺322的两侧，和编码尺322的码道一一对应，光分路器31连接光纤阵列探头组321其中的一个光纤阵列探头。

本实施例的监测方法如下：

参见图1至图4所示，首先将光纤传感终端30埋设在路基沉降监测区域，其中外壳33的顶面外侧连接沉降板40，连接杆333的下端连接持力杆41。监测终端10通过光源模块11和光分路模块12后，将光信号通过传输光缆20传输到光纤传感终端30，经由光分路器31分光后进入光纤阵列探头组321。当路基相对于稳定地层有沉降产生时，沉降板40下沉，而持力杆41由于底端插入不发生沉降的稳定地层且本身也不发生弹性形变，因此导致连接杆333缩入外壳33内，引起连接杆333上端连接的连接盘334向上移动，并最终导致编码尺322相对于光纤阵列探头组321产生位移。编码尺322按照8位格雷码蚀刻成不透光和透光的图案，光信号通过光纤阵列探头组321照射到编码尺322上并透射后，就形成了一一对应的光学编码，如果以“0”和“1”表示不透光和透光的话，则光学编码可以表示为“00000000”到“11111111”之间对应的数字，相当于把编码尺322和光纤阵列探头组321之间的相对位置进行了一一对应的编码，因此当光信号通过的光纤阵列探头组321照射并透过编码尺322进行传输时，就将编码尺322和光纤阵列探头组321之间的相对位置信息，也即沉降板40和持力杆41顶部之间的相对位置信息以光学编码的方式进行了信息提取，当有路基沉降发生时，这些光学编码也随之改变，并通过传输光缆20回传至监测终端10。

实施例2

参见图1所示，本实施例包括监测终端10、传输光缆20、光纤传感终端30，传输光缆20两端分别连接监测终端10和光纤传感终端30。

参见图3所示，监测终端10包括光源模块11、光分路模块12、检测放大模块13、数据采集模块14、数据处理模块15和显示模块16。

参见图5所示，光纤传感终端30包括光分路器31、光纤阵列探头组321、码盘323、上外壳336、下外壳337、O型圈338、转换装置339和钢丝绳330。

本发明上外壳336的外径和下外壳337的内径相互配套，能够相互嵌套形成一个全封闭的圆筒，上外壳336和下外壳337相互嵌套的部分之间有O型圈338进行密封；转换装置339、码盘323和光纤阵列探头组321一起安装在上外壳336的顶部内侧，从转换装置339的底部伸出有可以伸缩的钢丝绳330，转换装置339内部设有回力弹簧，可以保证钢丝绳330以一定张力绷直收紧；钢丝绳330下端连接下外壳337底部内侧，码盘323通过轴连接在转换装置339上，光纤阵列探头组321为一对8位的光纤阵列探头，分别对应位于码盘323的两侧，和码盘323的码道一一对应，光分路器31连接光纤阵列探头组321其中的一个光纤阵列探头。

本实施例的监测方法如下：

参见图1、2、3和5所示，首先将光纤传感终端30埋设在路基沉降监测区域，其中上外壳336的顶面外侧连接沉降板40，下外壳337的下端连接持力杆41。监测终端10通过光源模块11和光分路模块12后，将光信号通过传输光缆20传输到光纤传感终端30，经由光分路器31分光后进入光纤阵列探头组321。当路基相对于稳定地层有沉降产生时，沉降板下沉，而持力杆41由于底端插入不发生沉降的稳定地层且本身也不发生弹性形变，因此导致上外壳336的顶部和下外壳337的底部之间产生位移，引起钢丝绳330的收缩，转换装置339将这种直线位移转换为角位移并带动码盘323旋转。码盘323在圆周上按照8位格雷码蚀刻成不透光和透光的图案，光信号通过光纤阵列探头组321照射到码盘323上并透射后，就形成了一一对应的光学编码，如果以“0”和“1”表示不透光和透光的话，则光学编码可以表示为“00000000”到“11111111”之间对应的数字，相当于把码盘323和光纤阵列探头组321之间的相对角度位置进行了一一对应的编码，因此当光信号通过的光纤阵列探头组321照射并透过码盘323进行传输时，就将码盘323和光纤阵列探头组321之间的相对角度位置信息，也即沉降板40和持力杆41顶部之间的相对位置信息以光学编码的方式进行了信息提取，当有路基沉降发生时，这些光学编码也随之改变，并通过传输光缆20回传至监测终端10。

本发明实施例1和实施例2的后续信息处理过程相同，如下所示：

对于每一个光纤传感终端30，在监测终端10发出一路光信号后，都会收到8路经过光学编码的光信号，在监测终端10中，返回的光信号首先进入检测放大模块13，对光信号进行光电转换、低噪声放大等处理，转化成适合运算处理器采集和运算的电信号；在数据采集模块14中完成模数转换、高速数据采集等功能；在数据处理模块15中完成信息分析计算、数据存储等功能；最终在显示模块16中对从所有光纤传感终端30中采集到的路基沉降信息进行实时显示、定位和报警(预警)。在监测终端10中包含必要的软件系统。

本发明实施例的编码方案并非上述两种，其可以根据实际需要选择其他位数的编码方案。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.路基沉降远程自动监测系统，其包括：

监测终端，负责对进入的光信号进行光电转化、信号采集、信息分析处理、以及显示、定位和报警；

光纤传感终端，负责将路基沉降的位移量转换为沿光纤传输的光学编码；

传输光缆，负责监测终端、光纤传感终端光信号的传输；

所述传输光缆与所述光纤传感终端和监测终端相连接；

其特在在于，所述光纤传感终端包括光分路器、光纤位移编码装置、外壳和传动装置；所述光分路器、光纤位移编码装置和传动装置安置在所述外壳内，所述光分路器与所述光纤位移编码装置相连接。

2.根据权利要求1所述的路基沉降远程自动监测系统，其特征在于：所述监测终端包括光源模块、光分路模块、检测放大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块；所述监测终端由光源模块连接光分路模块后连接至传输光缆的输入端，再从传输光缆的输出端依次连接检测放大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块。

3.根据权利要求1所述的路基沉降远程自动监测系统，其特征在于：所述外壳为一两端封闭的圆筒，所述光纤位移编码装置由光纤阵列探头组和编码尺组成，所述传动装置由外壳、导向滑杆、弹簧、连接杆、连接盘和固定架组成；

所述导向滑杆和弹簧安置在所述外壳的内部，且与所述外壳的顶面和底面相连接，所述外壳底面中部开有孔，所述连接杆从孔中穿过，所述连接杆上端连接连接盘的下表面，所述连接盘嵌套在导向滑杆和弹簧上；

所述编码尺固定在连接盘的上边面，所述编码尺按照8位格雷码编码，所述外壳内侧的顶面上安装有固定架，所述光纤阵列探头组和光分路器安置在所述固定架的底端上，所述光纤阵列探头组为一对8位的光纤阵列探头，分别对应位于编码尺的两侧，和编码尺的码道一一对应，所述光分路器连接光纤阵列探头组其中的一个光纤阵列探头。

4.根据权利要求1所述的路基沉降远程自动监测系统，其特征在于：所述外壳分为上外壳和下外壳，所述上外壳和下外壳相互嵌套形成一个全封闭的圆筒；

所述光纤位移编码装置由光纤阵列探头组和码盘组成，所述传动装置由O型圈、转换装置和钢丝绳组成；

所述O型圈安置在所述上外壳和下外壳相互嵌套的部分之间，所述转换装置、码盘和光纤阵列探头组安装在上外壳的顶部内侧，所述钢丝绳安置在所述转换装置的底部，并延伸至下外壳的底部，所述转换装置内部设有回力弹簧；

所述光纤阵列探头组为一对8位的光纤阵列探头，分别对应位于码盘的两侧，和码盘的码道一一对应，光分路器连接光纤阵列探头组其中的一个光纤阵列探头。

5.根据权利要求4所述的路基沉降远程自动监测系统，其特征在于：所述钢丝绳可以伸缩。

6.路基沉降远程自动监测系统的监测方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

(1)首先，监测终端通过传输光缆向光纤传感终端发射光信号；

(2)光信号进入光纤传感终端后，经由光分路器分光后进入光纤位移编码装置；

(3)当路基发生沉降后，带动沉降板下沉，而持力杆由于底端插入不发生沉降的稳定地层且本身也不发生弹性形变，因此光纤传感终端的外壳和传动装置压缩；

(3)外壳和传动装置将这种沉降板和持力杆顶部之间的沉降量转换为可被光纤位移编码装置识别的位移量，光纤位移编码装置把位移量转换为对应的光学编码，这种光信号的光学编码被传输光缆回传到监测终端；

(5)监测终端对进入的光信号进行光电转换、低噪声放大、信号采集、信息分析处理、显示与报警等功能，从而实现对路基沉降的实时、远程、自动监测。

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