CN103256894A - 一种光纤光栅二维位移监测仪及其监测位移的方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅二维位移监测仪，具有壳体，还包括：第一组件和第二组件，该第一组件设置在壳体的外部，第二组件设置在壳体内部，其具有悬臂梁，悬臂梁上粘贴有光栅光纤，该光纤光栅二维位移监测仪埋入土内，利用第一组件的位移变化通过检测第二组件的光纤光栅的变换测量山体滑坡、坝体变形、路基沉陷的情况，该光纤光栅二维位移监测仪可以实施长距离远程多点的实时监测，采用远程实时监测可以有效地减少人力和物力成本，可以有效地避免天气或其他人为因素对监测造成的影响，增强了测量数据的可靠性。

Description

一种光纤光栅二维位移监测仪及其监测位移的方法

技术领域

本发明涉及一种二维位移测量装置，尤其涉及一种光纤光栅二维位移监测仪，属于光纤位移传感技术领域。

背景技术

由于山体滑坡、坝体变形、路基沉陷为具有非常大的自然灾害，对于国民生产生活产生很大的影响，传统的对于上述自然灾害的检测采用人员定期检测的方法进行检测。但是上述传统的人员检测方法容易受到很多不定因素的影响，例如人为原因造成的错误、天气原因或其他原因使得不能及时进行监测，影响到监测时间和周期、人力和物力上成本过高等一系列缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明针对山体滑坡、坝体变形、路基沉陷监测设计了的光纤光栅二维位移监测仪及二维位移监测系统。利用上述光纤光栅二维位移监测仪及二维位移监测系统实现了对山体滑坡、坝体变形、路基沉陷等灾害的长期远程在线监测，提高了灾害的预防控制能力。

本发明通过下述技术方案实现的：一种光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：该监测仪具有壳体，还包括：第一组件和第二组件，该第一组件设置在壳体的外部，该第二组件设置在上述壳体的内部，所述第二组件为弹性件，其一端固定在壳体内，第一组件为两段通过活动连接件连接的管结构，所述第一组件一端与上述壳体固定连接，一柔性部件一端固定在第一组件与上述壳体相对的一端，并穿过第一组件的第一段管结构之后绕活动连接件的一圈后再穿过第一组件的第二段管结构，之后穿过壳体上的圆孔与第二组件连接，光栅光纤粘贴于第二组件上。

本发明还进一步通过下述技术方案实现的：所述第二组件包括悬臂梁或弹簧片。

本发明还进一步通过下述技术方案实现的：所述活动连接件为销轴。

本发明还进一步通过下述技术方案实现的：所述管结构的钢管和管接头组成，管接头一端连接钢管一端通过销轴活动连接。

本发明还进一步通过下述技术方案实现的：所述销轴上还设置有定滑轮，所述柔性部件绕过定滑轮。

本发明还进一步通过下述技术方案实现的：所述柔性部件为钢丝绳。

本发明还进一步通过下述技术方案实现的：所述钢丝绳为两段结构，其在靠近壳体的管结构内部通过弹簧连接。

本发明还进一步通过下述技术方案实现的：所述管接头中间具有使柔性部件通过的圆孔。

本发明还进一步通过下述技术方案实现的：所述第二组件的包括用于固定所述弹性件的基座。

本发明通过下述技术方案实现的：一种光纤光栅二维位移监测仪监测位移的方法，其特征在于：其包括如下步骤：(1)在安装时，给予光纤光栅二维位移监测仪的弹簧一定的拉力，使得第二组件受到适量的预应力；(2)将光纤光栅二维位移监测仪埋入地下，上述当第一组件受压发生垂直向下的位移时，柔性部件使得壳体内部的第二组件发生相应的形变；(3)通过光纤光栅调制解调仪探测光栅光纤波长的变化，计算出第一组件两个管结构之间的相对旋转的角度θ；(4)设定远离壳体的管结构的长度为定值L，则可通过三角函数关系计算出上述远离壳体的管结构发生的位移D，进而得到测量部位的位移的变化。

本发明的优点在于该光纤光栅二维位移监测仪可以实施长距离远程多点的实时监测，采用远程实时监测可以有效地减少人力和物力成本，因为光纤光栅本身抗电磁干扰能力高、绝缘性能好、化学稳定性强、传输损耗小、传输容量大等特点、测量范围广等特点，可以有效地避免天气或其他人为因素对监测造成的影响，增强了测量数据的可靠性。

附图说明

图1光纤光栅二维位移监测仪结构示意图；

图2光纤光栅二维位移监测仪监测位移的示意图。

具体实施方式

下面，参照附图1～2对本发明的光纤光栅二维位移监测仪以及监测位移方法进行说明。

在图1中，该光纤光栅二维位移监测仪具有壳体，还包括：第一组件和第二组件，该第一组件设置在壳体10的外部，该第一组件主要由第一钢管1、第二钢管7、第一钢管连接头2，第二钢管连接头5、定滑轮3、弹簧8组成，该第二组件设置在上述壳体的内部，该第二组件主要由悬臂梁11、光栅光纤以及基座9组成，第一钢管的一端设置有第一钢管1连接头，第二钢管7的一端设置有第二钢管连接头5，第一钢管连接头2与第二钢管连接头5通过销轴4活动连接，定滑轮3设置在销轴4上，第二钢管7的另一端与壳体10固定连接，上述弹簧8设置在第二钢管7内，弹簧8的一端通过钢丝绳6穿过壳体10上设置的圆孔与壳体内部的悬臂梁11的一端连接，另一端与另一根钢丝绳6连接，上述另一根钢丝绳6穿过第二钢管连接头5中间的圆孔跨过定滑轮3再穿过第一钢管连接头2的圆孔并与第一钢管连接头相对的第一钢管1的一段固定连接，上述悬臂梁11另一端固定于基座9上，光栅光纤粘贴于悬臂梁11上。

上述光纤光栅二维位移监测仪可以通过以下步骤安装：1首先将悬臂梁11固定基座9安装在壳体10底板上；2其次将粘有光纤光栅的悬臂梁11的一端用螺丝固定在悬臂梁固定基座9上；3用卡扣将一节钢丝绳6固定在悬臂梁11的一端，将钢丝绳6的另一端穿过保护罩上的圆孔(带螺纹的圆孔用来以后安装钢管)引出；3最后将壳体10保护罩盖上；4从壳体内引出的钢丝绳6与一根弹簧8连接；5弹簧8的另一端在于另一根钢丝绳6连接；6将钢丝绳6与弹簧8放入第二钢管7(两端有螺纹，方便以后安装中)中；7将第二钢管7与保护罩连接；8第二钢管7另一端安装第二钢管连接头5；9将弹簧8一端未固定的钢丝绳6穿过第二钢管连接头5的圆孔，然后使钢丝绳6跨过定滑轮3，再穿过第一钢管连接头2的圆孔；10将上述钢管接头分别与上述钢管一端固定；11在第一钢管连接头2的另一端，拉拽钢丝绳6，给弹簧适量的欲拉，则悬臂梁11即受到适量的预应力(目的：①及时测量②正负角度都能测)，然后用卡扣将钢丝绳6固定在第一钢管上；12将钢管连接头与销轴连接，然后将另一根钢管与连接头连接。在实际应用中，可将n节这样的装置依次连接，便可测量多点位移。

在图2中，利用上述光纤光栅二维位移检测仪监测位移，其包括如下步骤：(1)在安装时，给予光纤光栅二维位移监测仪的弹簧一定的拉力，使得悬臂梁受到适量的预应力；(2)将光纤光栅二维位移监测仪埋入地下，上述当第一钢管受压发生垂直向下的位移时，钢丝绳通过滑轮拉拽弹簧使弹簧发生形变，从而使得壳体内部的悬臂梁也发生相应的形变；(3)通过光纤光栅调制解调仪探测光栅光纤波长的变化，计算出第一根钢管相对于第二根钢管的旋转的角度θ；(4)设定第一根钢管的长度为定值L，则可通过三角函数关系计算出第一根钢管发生的位移D，进而得到测量部位的位移的变化。以监测路基沉陷为例，根据实际测量的具体要求可将n接此装置依次连接埋于地下，每一个壳体内部的悬臂梁上所粘贴的光纤光栅通过壳体上的小孔将光纤引出，连接到地面上监控室的光纤光栅调制解调仪上，调制解调仪与电脑连接。当光源发出的光通过光纤耦合器经由分线器分成多路到达每个传感器上，光信号在原路返回到光纤耦合器，再进入光纤光栅调制解调器，当某位置发生相对位移时，与之相对应的该部位的光纤光栅波长发生相应的变化。因为光纤光栅波长变化与两节钢管夹角变化成线性关系，利用三角函数关系便可计算出任意一节钢管发生的位移D，当位移超过一定范围是电脑则会自动报警。上述过程可通过电脑软件实现。将此装置埋入地下，当第一节钢管处的岩土发生向下的位移时(假设只有第一节钢管处岩土发生位移)，第一节钢管同时也发生向下的位移，从而钢丝绳通过定滑轮拉拽第二节钢管中的弹簧，则弹簧拉拽壳体内部的悬臂梁，从而使悬臂梁也发生相应的形变，则悬臂梁上所粘贴的光纤光栅发生形变，地面发出的持续光源，经耦合器入射到光纤光栅上，符合布拉格反射条件的光被反射回来，在经过耦合器由单模光纤射出，入射到线阵CCD上，经过光电转换，将光信号转换成电信号，线阵CCD在驱动电路的驱动下，输出图像的模拟电信号，同时采集板卡上的A/D处理芯片将模拟信号转换成数字信号，然后采集板卡将转换后的数据实时上传到计算机中，计算机利用已编的高斯算法软件对数据进行曲线拟合，通过拟合后的曲线可得出光栅的中心波长。最后通过已得到的波长数据，及相应的波长对应相应的角度，在通过标定试验得出一元线性模型的斜率和截距参数，将测得的不同的波长数据带入到线性函数中，即可得到相应的物理参量。从而就可以算出第一根钢管相对于第二根旋转的角度θ，因为第一根钢管的长度为一已知定值L，则可通过三角函数关系计算出第一根钢管发生的位移D.

以上所述仅为本发明专利的优选实施例，并不用于限制发明专利，对于本领域的技术人员来说，本发明专利可以有各种更改和变化。凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：该监测仪具有壳体，还包括：第一组件和第二组件，该第一组件设置在壳体的外部，该第二组件设置在上述壳体的内部，所述第二组件为弹性件，其一端固定在壳体内，第一组件为两段通过活动连接件连接的管结构，所述第一组件一端与上述壳体固定连接，一柔性部件一端固定在第一组件与上述壳体相对的一端，并穿过第一组件的第一段管结构之后绕活动连接件的一圈后再穿过第一组件的第二段管结构，之后穿过壳体上的圆孔与第二组件连接，光栅光纤粘贴于第二组件上。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：所述第二组件包括悬臂梁或弹簧片。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：所述活动连接件为销轴。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：所述管结构的钢管和管接头组成，管接头一端连接钢管一端通过销轴活动连接。

5.根据权利要求3所述的光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：所述销轴上还设置有定滑轮，所述柔性部件绕过定滑轮。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：所述柔性部件为钢丝绳。

7.根据权利要求6所述的光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：所述钢丝绳为两段结构，其在靠近壳体的管结构内部通过弹簧连接。

8.根据权利要求4所述的光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：所述管接头中间具有使柔性部件通过的圆孔。

9.根据权利要求2所述的光纤光栅二维位移监测仪，其特征在于：所述第二组件的包括用于固定所述弹性件的基座。

10.一种利用权利要求1-9所述的光纤光栅二维位移监测仪监测位移的方法，其特征在于：其包括如下步骤：(1)在安装时，给予光纤光栅二维位移监测仪的弹簧一定的拉力，使得第二组件受到适量的预应力；(2)将光纤光栅二维位移监测仪埋入地下，上述当第一组件受压发生垂直向下的位移时，柔性部件使得壳体内部的第二组件发生相应的形变；(3)通过光纤光栅调制解调仪探测光栅光纤波长的变化，计算出第一组件两个管结构之间的相对旋转的角度θ；(4)设定远离壳体的管结构的长度为定值L，则可通过三角函数关系计算出上述远离壳体的管结构发生的位移D，进而得到测量部位的位移的变化。

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